Integrierte photoakustische, Ultraschall- und Angiographietomographie (PAUSAT) für die nicht-invasive Ganzhirnbildgebung des ischämischen Schlaganfalls

Zusammenfassung

Diese Arbeit demonstriert den Einsatz einer multimodalen ultraschallbasierten Bildgebungsplattform für die nicht-invasive Bildgebung des ischämischen Schlaganfalls. Dieses System ermöglicht die Quantifizierung der Sauerstoffsättigung des Blutes durch photoakustische Bildgebung und die Beeinträchtigung der Durchblutung im Gehirn durch akustische Angiographie.

Zusammenfassung

Hier wird eine experimentelle ischämische Schlaganfallstudie vorgestellt, bei der unser neu entwickeltes nicht-invasives Bildgebungssystem verwendet wird, das drei akustische Bildgebungstechnologien integriert: photoakustische Bildgebung, Ultraschall und angiographische Tomographie (PAUSAT). Die Kombination dieser drei Modalitäten hilft bei der multispektralen photoakustischen Tomographie (PAT) der Sauerstoffversorgung des Gehirns, der Hochfrequenz-Ultraschallbildgebung des Hirngewebes und der akustischen Angiographie der zerebralen Blutdurchblutung. Die multimodale Bildgebungsplattform ermöglicht die Untersuchung von Veränderungen der zerebralen Perfusion und Sauerstoffversorgung im gesamten Mäusegehirn nach einem Schlaganfall. Es wurden zwei häufig verwendete ischämische Schlaganfallmodelle evaluiert: das Modell des permanenten Verschlusses der mittleren Hirnarterie (pMCAO) und das Modell der Photothrombose (PT). PAUSAT wurde verwendet, um die gleichen Mäusegehirne vor und nach einem Schlaganfall abzubilden und beide Schlaganfallmodelle quantitativ zu analysieren. Dieses bildgebende System war in der Lage, die Gefäßveränderungen des Gehirns nach ischämischem Schlaganfall deutlich darzustellen, einschließlich einer signifikant reduzierten Durchblutung und Sauerstoffversorgung in der Schlaganfall-Infarktregion (ipsilateral) im Vergleich zum unverletzten Gewebe (kontralateral). Die Ergebnisse wurden sowohl durch Laser-Speckle-Kontrast-Imaging als auch durch Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC)-Färbung bestätigt. Des Weiteren wurde das Schlaganfall-Infarktvolumen in beiden Schlaganfallmodellen gemessen und mittels TTC-Färbung als Ground Truth validiert. Durch diese Studie haben wir gezeigt, dass PAUSAT ein leistungsfähiges Werkzeug in nicht-invasiven und longitudinalen präklinischen Studien zum ischämischen Schlaganfall sein kann.

Einleitung

Das Blut transportiert Sauerstoff (über das Hämoglobin-Protein) und andere wichtige Nährstoffe in das Gewebe unseres Körpers. Wenn der Blutfluss durch das Gewebe unterbrochen ist (Ischämie), kann es zu schweren Gewebeschäden kommen, deren unmittelbarste Auswirkungen auf Sauerstoffmangel (Hypoxie) zurückzuführen sind. Ein ischämischer Schlaganfall ist das Ergebnis einer unterbrochenen Durchblutung einer bestimmten Region des Gehirns. Die Hirnschädigung infolge eines ischämischen Schlaganfalls kann innerhalb von Minuten nach einem Gefäßverschluss auftreten und oft schwächende und dauerhafte Auswirkungen haben ^1,2

Protokoll

Alle tierexperimentellen Verfahren wurden vom Tierpflege- und -verwendungsausschuss des Duke University Medical Center genehmigt und in Übereinstimmung mit den Richtlinien des öffentlichen Gesundheitsdienstes der Vereinigten Staaten zur humanen Pflege und Verwendung von Labortieren durchgeführt. Für diese Studien wurden männliche und weibliche C57BL/6J-Mäuse (siehe Materialtabelle) verwendet. Pro Schlaganfall-Modellgruppe wurden mindestens drei Tiere abgebildet. In Abbildung 2 sehen Sie den Workflow, der in diesem Protokoll befolgt wird.

Diskussion

Es gibt einige wichtige Aspekte dieser Methode, die, wenn sie falsch durchgeführt werden, zu einer erheblichen Verringerung der Bildqualität und der quantitativen Analyse führen können. Das am häufigsten auftretende Ergebnis von Benutzerfehlern in PAUSAT-Bildern ist entweder ein fehlendes Signal oder eine sehr geringe Signalstärke, die beide aus verschiedenen Gründen auftreten können. Ein Grund dafür ist ein Problem mit der akustischen Kopplung. Große Luftblasen im Wasser, das den Kopf der Maus während der Bil.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
20 GA catheter	BD Insyte Autoguard Winged	381534	For mouse intubation
2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride	Sigma	T8877	Necessary for TTC-staining brain for validation
532nm Laser	Quantel	Q-smart 850	Laser used to pump the OPO for PAT
Automatic Ventilator Rovent Jr.	Kent Scientific	RV-JR	To keep mice under anesthesia during surgical procedure
Black braided silk 4-0 USP	Surgical Specialties	SP116	Used for sutures on the neck for pMCAO surgery
Bupivacaine	Hospira	0409-1159-18	Used prior to closing wounds during surgical procedure
C57BL/6 Mice	Jackson Lab	#000664	Mice used for studying ischemic stroke (2-6 month old male/female)
Clear suture	Ethicon	8606	Used for closing wound (PT stroke and pMCAO). A clear suture won't interfere with PAT
Cold Light LED	Schott	KL 1600	Needed to create PT stroke
Disposable Razor Blade	Accutec Blades	74-0002	For sectioning mouse brain
Electric drill	JSDA	JD-700	Used to expose MCA during pMCAO procedure
Electrocauterization tool	Wet-Field	Wet-Field Bipolar-RG	Stops blood flow after drilling during pMCAO procedure
Hair removal gel	Veet	8282651	Used to remove hair from mouse prior to imaging
High Temperature Cautery Loop Tip	BOVIE Medical Corporation	REF AA03	Used to avoid bleeding when separating the temporal muscle from the skull
IR Detector Card	Thorlabs	VRC5	Used to ensure light path is aligned
Laser Power Meter	Ophir	StarBright, P/N 7Z01580	Can be used to calibrate the laser energy prior to imaging
Laser Speckle Imaging System	RWD Life Science Co.	RFLSI-III	Can be used to validate stroke surgery success
Lubricant Eye Ointment	Soothe	AB31336	Can be used to avoid drying of the eyes
Manually adjustable stage	Thorlabs	L490	Used with custom ramp for multiple focal depth AA imaging
Modified Vega Imaging System	Perkin Elmer	LLA00061	System containing both B-mode/AA and PAT transducers
Optical Parametric Oscillator	Quantel	versaScan-L532	Allows for tuning of excitation wavelength in a large range
Programmable Ultrasound System	Verasonics	Vantage 256	Used for PAT part of system
Rose Bengal	Sigma	330000	Necessary to induce PT stroke
Suture	LOOK	SP116	Used for permanent ligation of CCA
Temperature Contoller	Physitemp	TCAT-2	Used to maintain stable body temperature of mice during procedures
VesselVue Microbubbles	Perkin Elmer	P-4007001	Used for acoustic angiography (2.43 × 10^9 microbubbles/mL)