ההדמיה PET / MRI בו זמנית בעכבר מוחין היפוקסיה-איסכמיה

Summary

השיטה המוצגת כאן משתמשת בטומוגרפיה פליטת פוזיטרונים בו זמנית והדמיה בתהודה מגנטית. במודל היפוקסיה-איסכמיה מוחית, שינויים דינמיים בחילוף חומרי דיפוזיה וגלוקוז להתרחש במהלך ולאחר פציעה. הנזק מתפתח וirreproducible במודל זה מחייב רכישה בו זמנית אם נתוני הדמיה רבי מודלי משמעותיים הם שיירכשו.

Abstract

שינויים דינמיים בדיפוזיה מים רקמות וחילוף חומרים של הגלוקוז להתרחש במהלך ולאחר היפוקסיה בהיפוקסיה-איסכמיה מוחית המשקפת הפרעת bioenergetics בתאים חולים. ההדמיה דיפוזיה משוקללת תהודה מגנטית (MRI) מזהה אזורים שניזוקו, שעלול להיות בלתי הפיך, על ידי היפוקסיה-איסכמיה. שינויים בניצול סוכר ברקמה הפגועה עשויים להיות לזיהוי על ידי פליטת פוזיטרונים טומוגרפיה הדמיה (PET) של 2-deoxy-2- ספיגה ⁽¹⁸ F) fluoro-ᴅ-גלוקוז ^([18 F] FDG). בשל האופי המהיר ומשתנה של פגיעה במודל חיה זו, רכישה של שני המצבים של נתונים חייבת להתבצע בו זמנית על מנת לתאם משמעותי נתונים PET ו- MRI. בנוסף, שונות הבין-חיה בפציעת חוסר חמצן-איסכמי בשל הבדלי כלי דם מגבילה את היכולת לנתח נתונים רבי מודלי ולבחון שינויים בגישת קבוצה-חכמה אם הנתונים לא רכשו בו זמנית בנושאים אישיים. עמ 'השיטההתרעם כאן מאפשר לרכוש שני MRI משוקלל דיפוזיה ו[ ¹⁸ F] נתוני ספיגת FDG באותו בעלי החיים לפני, במהלך, ואחרי אתגר חוסר חמצן כדי לחקור את השינויים פיסיולוגיים מיידיים.

Introduction

ברחבי העולם, שבץ הוא הגורם השני המוביל למוות ואחד גורמים עיקריים לנכות ^1. המפל של אירועים ביוכימיים ופיסיולוגיים המתרחשים בזמן וחריפות בעקבות אירוע שבץ מתרחש במהירות ועם השלכות על כדאיות רקמות וסופו של דבר תוצאה ^2. היפוקסיה-איסכמיה מוחית (HI), מה שמוביל לחוסר החמצן אנצפלופתיה-איסכמי (hie), הערכה היא להשפיע על עד 0.3% ו -4% מלידות בטווח מלא ופגים, בהתאמה ^3,4. שיעור התמותה בתינוקות עם hie הוא כ 15% עד 20%. ב -25% מניצולי hie, סיבוכים קבועים להיווצר כתוצאה מהפגיעה, כולל פיגור שכלי, ליקויים מוטוריים, שיתוק מוחין, אפילפסיה ^ו3,4. התערבויות טיפוליות בעבר לא הוכיחו ראויות לאימוץ כטיפול סטנדרטי, וטרם הגיעה להסכמה כי השיטות המתקדמות ביותר, המבוססות על היפותרמיה, הם מפחיתות ביעילות תחלואה ^3.5. נושאים אחרים oטענה ו כוללת שיטת הממשל של היפותרמיה ומטופל בחירת ^6. לפיכך, אסטרטגיות לneuroprotection וneurorestoration עדיין אזור פורה למחקר ^7.

מודלים של עכברים של HI המוחי היו זמינים מאז 1960, ולאחר מכן הותאמו לעכברי ^8,9. בשל האופי של המודל והמיקום של קשירה, יש שונות הגלומות בתוצאה בשל הבדל בזרימה בטחונות בין בעלי החיים ^10. כתוצאה מכך, מודלים אלה נוטים להיות משתנים יותר בהשוואה לדגמים דומים כגון עורקים התיכון ספיגה המוחין (MCAo). מדידה של שינויים פיסיולוגיים בזמן אמת הודגמה עם Flowmetry דופלר הלייזר, כמו גם ¹¹ MRI המשוקלל דיפוזיה. שונות התוך-החיה נצפו בזרימת דם במוח במהלך ומייד לאחר היפוקסיה, כמו גם בתוצאות אקוטיות כגון אוטם נפח ונוירולוגיותגירעון, מצביע על כך שרכישה ומתאם בו זמנית של נתונים multimodal תהיה מועילות.

התקדמות שחלה באחרונה בטומוגרפיה בו זמנית פליטת פוזיטרונים (PET) והדמיה בתהודה מגנטית (MRI) אפשרה לאפשרויות חדשות בתחום ההדמיה פרה-קלינית ^12-14. היתרונות הפוטנציאליים של מערכות אלה היברידיים, בשילוב יישומים פרה-קליניים שתוארו בספרות ^15,16. בעוד שניתן התייחסו שאלות רבות פרה-קלינית על ידי הדמיה ברצף חיה בודדת או על ידי הדמיה קבוצות בעלי חיים נפרדות, מצבים מסוימים - למשל, כאשר כל מופע של אירוע כגון שבץ בא לידי ביטוי באופן ייחודי, המתפתח במהירות עם הפתופיזיולוגיה - לעשות את זה רצוי ואף הכרחי להשתמש מדידה בו זמנית. הדמיה תפקודית מספקת דוגמא אחת כזו, שבו 2-deoxy-2- ⁽¹⁸ F) fluoro-ᴅ-גלוקוז ^([18 F] FDG) PET בו זמנית וblooחמצן ברמה ד לאחרונה תלוי MRI (BOLD) הודגם בגירוי זיף חולדה לומדת ^14.

הנה, אנחנו מדגימים הדמיה PET / MRI בו זמנית בתחילת שבץ איסכמי חוסר חמצן שבפיזיולוגיה של המוח היא לא במצב יציב, אך במקום זאת היא במהירות ובלתי הפיך שינוי במהלך אתגר חוסר חמצן. שינויים בדיפוזיה מים, כפי שנמדד על ידי בדיקת MRI ולכמת במקדם לכאורה דיפוזיה (ADC) נגזר מההדמיה משוקללת דיפוזיה (DWI), התאפיינו גם לשבץ בנתונים קליניים ופרה-קליניים ^17,18. במודלים של בעלי חיים כגון MCAo, דיפוזיה של מים ברקמת המוח הפגוע טיפות במהירות בשל מפל bioenergetic המוביל לבצקת ציטוטוקסיות ^18. שינויים חריפים אלה בADC גם הם נצפו במודלים של מכרסמים של היפוקסיה-איסכמיה מוחית ^{11,19. [18} F] הדמיה FDG PET נעשתה שימוש בחולי שבץ מוחי להעריך שינויים בGL המקומיגם חילוף חומרים ucose ^20, ומספר קטן של מחקרים בבעלי החיים in vivo השתמשו ^[18 F] FDG ^21, כוללים במודל היפוקסיה-איסכמיה המוחי ^22. באופן כללי, מחקרים אלה מראים ירידת ניצול הגלוקוז באזורי איסכמי, למרות שמחקר תוך שימוש במודל עם reperfusion לא נמצא קשר של שינויים מטבוליים אלה עם התפתחות אוטם מאוחר יותר ^23. זאת בניגוד לשינויי דיפוזיה שנקשרו עם הליבה הפגומה באופן בלתי הפיך ^21. לכן, חשוב להיות מסוגל להשיג את המידע המשלים נובע מ[ ¹⁸ F] FDG PET וDWI באופן סימולטני במהלך האבולוציה של שבץ, כמו זה עשוי להניב מידע משמעותי על ההתקדמות של פגיעה ואת ההשפעה של התערבויות טיפוליות. השיטה שאנו מתארים כאן היא נוחה בקלות להשתמש במגוון של קליעים נותבים PET ורצפי ה- MRI. לדוגמא, PET ₂ O H ^[15 O]הדמיה יחד עם DWI ותמונות משוקללים זלוף (PWI) מMRI יכול לשמש כדי לחקור את ההתפתחות של הצללים איסכמי ולאמת טכניקות הנוכחיות בתחום ההדמיה שבץ.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

כל הטיפול בבעלי החיים וההליכים המתוארים במסמך זה, ובהתאם למחקר בבעלי חיים: דיווח בניסויי הנחיות Vivo (להגיע), בוצעו בהתאם לפרוטוקולים שאושרו על ידי האגודה להערכת ההסמכה של מעבדה טיפול בבעלי חיים (AAALAC) בינלאומי מוכר מוסדי טיפול בבעלי חיים הוועדה השתמש באוניברסיטת קליפורניה, דיוויס. ניתוח נכון לא צריך לגרום לסימנים של כאב או אי נוחות בבעלי החיים, אך יש לנקוט צעדים נכונים אם סימנים אלה הם נצפו, כוללים ניהול של משככי כאבים או במקרים מסוימים, המתת חסד. בצד הימין של בעלי החיים היה נבחר באופן שרירותי להליך חד צדדי שתואר.

1. עורק התרדמה המשותפת חד צדדית קשירת (CCA)

1. הכן שדה סטרילי עם כלים מעוקרים כירורגית וחומרים ממוקמים בנוחות. כרית חימום להבטיח מחומם ל -37 מעלות צלזיוס עם בדיקה טמפרטורה ממוקמת באופן מאובטח על משטח. & #160; הקפד להשתמש וילון סטרילי כדי לכסות את האתר כירורגית.
2. להרדים בעלי חיים (isoflurane, 1-3% באוויר ב0.5-1 ליטר / דקה), ומניח את החיה במצב שכיבה עם הזנב מול משם. בדקו הרדמה על ידי צובט את הבוהן - זה צריך לעורר שום תגובה אם בעל החיים הוא בהרדמה כראוי. החל משחה העיניים לעיניים.
3. החל הסרת שיער קרם לצוואר נמוך לאזור חזה העליון באמצעות 1-2 צמר גפן. חכה 1-3 דקות, ולאחר מכן להסיר את השיער וקרם באמצעות מטליות גזה או אלכוהול רטובות. אזור ספוגית חתך עם פולידין באופן מעגלי מבפנים החוצה, ואז לשנות לכפפות מנתחים סטרילית.
4. בעזרת מספריים כירורגיות, עושה חתך של כ 1 סנטימטר לאורך קו האמצע של הצוואר התחתון. זהירות להפריד עור חיצוני מסביב fascia באמצעות מספריים כירורגיות.
5. שימוש בשני מלקחיים תפירת איריס מיקרו מקפרסון, להפריד את עורק תרדמה המשותף תקין מfascia, לטפל כדי למנוע ורידים או distur מזיקיםבינג העצב התועה.
6. שימוש במלקחיים בצד הימין, exteriorize המרכז לאמנות העכשווית הנכונה במצב יציב. יישומם של מספר טיפות של תמיסת מלח כדי למנוע התייבשות. עובר אורך מתאים (2-3 סנטימטר) של 6-0 תפר משי מתחת למרכז לאמנות העכשווי הנכון, ולקשור באמצעות קשר זוגי מרובע. לחלופין, לקשור שוב באמצעות אורך שני של 6-0 תפר משי.
7. למקם תקין המרכז לאמנות עכשווית ולנקות נוזלים עודפים מהפתיחה באמצעות ספוג סטרילי הטה ספוגית. סגירת החתך עם תפר 6-0 משי. החל ידוקאין מריחה עד 7 מ"ג / קילוגרם.
8. לאפשר לבעלי החיים להתאושש מהרדמה עד (כ -30 דקות) אמבולטורי ולבצע ניטור לאחר ניתוח עד בעלי החיים מוכנים להדמיה.

2. הכנה להדמיה: בדיקות מערכת וחומרה

1. הגדר את החומרה ותוכנה למערכות MRI וPET ולבדוק את הפונקציונליות שלהם כדלקמן. ודא כי כל החיבורים הפיזיים הם מאובטחים והגדרות תוכנה כראוי נבחרות.
   1. ודא מערכת PET היא בטמפרטורת ההפעלה הקבועה של 5 מעלות צלזיוס באמצעות מערכת קירור האוויר.
   2. מערכת ההר PET בתוך נשא MRI, יישור שדה PET ו- MRI של מרכזי תצוגה (FOV) באמצעות קיזוז צירי ידוע. הר סליל MRI בתוך נשא של מערכת PET ולמרכז את הסליל עם מערכת PET ומרכזי מגנט MRI.
   3. הפעל אלקטרוניקה PET לכוח ומתח הטיה (הערה: צעדים ישתנו על ידי מכשיר). בצע סריקה מהירה (5 דקות) באמצעות גליל גה ⁶⁸ ולבדוק sinogram וכתוצאה מכך על מנת להבטיח את כל הגלאים הם מבצעיים.
   4. לחלופין לרכוש נתונים שישמשו למטריצת שינוי PET / MRI למטרות שיתוף רישום: מלא פנטום תלת ממדים (למשל, שלושה התחומים מלאים) עם 200 μCi של תמיסה מימית F ¹⁸ ולרכוש עבור 15 דקות עם PET. רוכשים את נתוני MRI אנטומיים: בסריקת השליטה החלון, בחר רב-פרוסה רצף רב-הד (MSME) (ראה לוח 1 ). חזור על פעולה עבור כל שלוש האוריינטציות העיקריות: צירי, sagittal, ועטרה.
2. בדוק את הגדרות משאבת עירוי ותפעול. הגדר את המשאבה ל4.44 μl לדקה, אשר ב -45 דקות של עירוי קבוע מספק בהיקף כולל של 200 μl, המגבלה המומלצת האופיינית להזרקת IV בבעלי חי 20 גרם.
3. בדוק את פעולת התנור ולאשר כי פלט הטמפרטורה מספיק כדי לשמור על בעלי החיים החמים (37 מעלות צלזיוס). בדוק שהטמפרטורה וניטור נשימה היא מבצעית בהכנה למיקום בעלי חיים על המיטה בבעלי החיים.
4. בדוק את הפעולה של מדידת תצרוכת O ₂ ו- N ₂ (0.5 ליטר / דקה: O ₂ ב57.2 מ"ג / דקה ו- N ₂ ב.575 גר '/ דק') על ידי הפעלת שני עם מקור האוויר הדחוס ומO ₂ ו- N ₂ מקורות ב. כדי למנוע את הסיכון של הפגיעה מדידת הזרימה, לא הופך אותם ללא לחץ על קלט מספיק.
5. ודא שנ isofluraneaporizer מלא מספיק. לפני ההדמיה, להתחיל זרימת ההרדמה isoflurane ב1-2% ו0.5-1 ליטר / דקה.
6. הכן מיטת בעלי חיים על ידי הבטחה כי ההרדמה, כרית נשימה, ומערכות החימום ממוקמות באופן מאובטח ופונקציונלי. לדיוק שיתוף רישום נוסף PET / MRI, סמני fiducial (למשל, צינורות נימים מלאים radiotracer בריכוז דומה למוזרק להדמיה) יכולים להיות מחוברים למיטה בבעלי החיים בשדה הראייה.

עבודה 3. הדמיה

לאחר כל בדיקות הציוד הדרושות הושלמו, להמשיך להדמיה כדלקמן:

1. להרדים את החיה עם isoflurane ולהכניס קטטר וריד זנב (28 מחט G, PE-10 צינורות פחות מ -5 סנטימטרים) מלא מלוח heparinized (0.5 מיליליטר הפרין, 1,000 USP / מיליליטר, 10 מיליליטר מי מלח). מחמם את בעלי החיים ו / או זנב עשוי לשפר את דיוק החדרת קטטר. לחלופין מקום טיפה של דבק cyanoacrylate באתר של הכנסהכדי לאבטח את הקו הרביעי.
2. מעבירים את החיה למיטת החיה מוכנה. ודא שהראש של החיה הוא מאובטח, עם שיניים חותכות העליונות מובטחות בברים בר ואוזן השן במקום אם בשימוש.
3. החל משחת עיניים לעיניים כדי למנוע התייבשות. הכנס מדחום בדיקה רקטלית. ודא שטמפרטורה וקריאות נשימה הן פונקציונליות.
4. צייר את מינון radiotracer (כ -600 μCi ב200 μl) להיות מוזרק לתוך heparinized PE-10 צינורות באורך מתאים - 3 מ 'כ לPE-10 צינורות ונפח של 200 μl. חבר קצה אחד של צינור זה למזרק משאבת עירוי, והשני לקו קטטר וריד זנב, נזהר שלא ליצור חורים בצינור.
5. חלק את מיטת החיה קדימה לשעמם של המגנט, כדי לוודא שלא להפריע את המיקום של סליל MRI וכל קווים או כבלים, במיוחד צינורות ההרדמה. ודא שמרכז המוח מיושר עם המרכזים של Mסליל RI, מערכת PET, ומגנט MRI.
6. לבצע כוונון והתאמה של סליל MRI על ידי סיבוב כפתורי התאמה על הסליל, מזעור עכבה (לבדוק מפרטי סליל) ותדירות (300 MHz לH ¹ ב -7 טסלה) חוסר התאמה על ידי התבוננות בתצוגה של מגבר קדם מתח הגבוה.
7. (MRI) לאחר כוונון והתאמה, לרכוש תמונת הסקאוט: בחר רצף tripilot נדיר ולהפעיל את הרצף מסריקת השליטה החלון. בדוק מיצוב של בעלי החיים, חזרה על שלבים 3.5 ו -3.6 במידת צורך. איפוס shims לאפס ערך.
8. (MRI) לרכוש, סריקה מקומית נפתרה נקודה ספקטרוסקופיות (PRESS) בנפח בתוך המוח: הפעל רצף עיתונות (ראה טבלה 1) בנפח מלבני עם ממדים 3.9 מ"מ × 6 מ"מ × 9 מ"מ. בדוק רוחב קו מים באמצעות פקודת מאקרו CalcLineWidth. אם הרוחב המלא בחץ מקסימום הערך (FWHM) הוא מקובל (למשל, 0.2 עמודים לדקה), המשך לשלב 3.10. אם לא, המשיכו לשלב 3.9.
9. (MRI) מפת שדה לרכוש: הפעל רצף FieldMap (ראה טבלה 1). השתמש בנתונים לפחית הקרנה רבת זווית (MAPSHIM) וכתוצאה מכך על ידי הפעלת פקודת מאקרו MAPSHIM ובחירה ליניארי וסדר שני (z ²⁾ התאמות מקומיות. חזור על שלב 3.8.
10. (MRI) מקם את התכנית הפרוסה לסריקת DWI (ראה טבלה 1): באמצעות עורך הגיאומטריה, להבטיח כי הרכישה FOV ממוקמת לרכוש הנפח הרצוי של ריבית במוח. אם התכנית הפרוסה וכתוצאה מכך מיושרת כרצוי, להעתיק תכנית פרוסה זה בסריקת השליטה החלון לכל סריקות DWI שלאחר מכן. בגין רכישה.
11. (PET) עם רכישת PET ערוך ומוכן להתחיל, להתחיל את משאבת העירוי. לאחר העיכוב שנקבע מראש שבמלח מקטטר כבר הזריק, להתחיל רכישת PET (ראה טבלה 1) כדי ללכוד את הכניסה של radiotracer. צג שיעור הספירה ולחפש עלייה הדרגתיתבספירת מעידה על זריקה מוצלחת.
12. לאחר 10-15 דקות, ליזום במקביל אתגר חוסר חמצן בשלב 3.12. ליזום אתגר חוסר חמצן, לכבות את זרימת אוויר רפואית ומייד כוח על O ₂ ו- N ₂ תזרים מטרים עם ההגדרות שנקבעו מראש כדי לספק חמצן 8% ו -92% חנקן, ולהפחית isoflurane ל -0.8%. האם לא כוח על תזרים מטרים בלי לחץ קלט.
13. (MRI) באותו הזמן כצעד 3.12, להתחיל רכישת DWI מוכנה בשלב 3.10 (סריקה "H1").
14. (MRI) בגין רכישת DWI (סריקה "H2"), מוכן בשלב 3.10, מייד לאחר H1 הסריקה הושלם. בסופו של אתגר חוסר חמצן על ידי כיבוי מדידת זרימה, שחזור זרימת אוויר רפואי, וחוזר ריכוז isoflurane לערך מתאים המבוסס על ניטור פיסיולוגי.
15. (MRI) רוכשים DWI הודעה היפוקסיה הסריקה מוכן בשלב 3.10. כבה את משאבת העירוי לאחר סריקה זה השלימה.
16. ענת (MRI) לרכושתמונות omical בצירית ומטוסי sagittal. בסריקת השליטה החלון - בחר את רצף MSME (ראה טבלה 1). באמצעות עורך הגיאומטריה, להבטיח כי רכישת FOV מכסה את המוח.
17. הסר בעלי חיים, לחזור לכלוב כאשר אמבולטורי ולעקוב אחר סימנים לתחלואה, אם יש צורך בהרדמת החסד עם ממשל של CO ₂ ואחריו נקע בצוואר הרחם כשיטת משנית.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

איור 1 מדגים את התוצאה של קשירה נכונה של עורק התרדמה המשותף, לפני סגירת הפצע עם תפר 6-0 משי.

בשיטה זו, הנתונים המתקבלים מהדמיה תלוי מאוד על ההסדר הזמני של הניסוי, אשר בתורו מכתיב וגם מוכתב על ידי מגבלות ניסוי כוללים תוכניות ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

MRI סימולטני אנטומיים, והדינמי DWI-MRI ו[ ¹⁸ F] נתונים FDG PET נרכשו בהצלחה מחיות ניסוי באתגר חוסר חמצן הבא קשירת עורק תרדמה משותפת. זה מייצג פרדיגמה ניסויית רבת עוצמה להדמיה multimodal של הפתופיזיולוגיה המתפתחת במהירות קשורה לעלבונות איסכמי במוח ויכול בקלות להיות מורחב כדי ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Surgery
Surgical scissors	Roboz	RS-5852
Forceps	Roboz	RS-5237
Hartman mosquito forceps	Miltex	7-26
2x McPherson suturing forceps, 8.5 cm	Accurate Surgical & Scientific Instruments	4473	It is useful to reduce the opening width with a band on the forceps used to hold the carotid artery
6-0 silicone coated braided silk suture with 3/8 C-1 needle	Covidien Sofsilk	S-1172
Homeothermic blanket system	Harvard Apparatus	507220F
Super glue	(Generic)
Hypoxia
Flowmeter for O2	Alicat Scientific	MC-500SCCM-D
Flometer for N2	Alicat Scientific	MC-5SLPM-D
O2 meter	MSA	Altair Pro
Imaging
7.05 Tesla MRI System	Bruker	BioSpec	20 cm inner bore diameter with gradient set. Paravision 5.1 software.
Volume Tx/Rx 1H Coil, 35 mm ID	Bruker	T8100
PET system	(In-house)		4x24 LSO-PSAPD detectors, 10x10 LSO array per detector, 1.2 mm crystal pitch and 14 mm depth. 14 x 14 mm PSAPD. FOV: 60x35 mm. 350-650 keV energy window. 16 nsec timing window.
Vessel cannulation Dumont forceps	Roboz	RS-4991
PE-10 polyethylene tubing	BD Intramedic	427401
Infusion pump	Braintree Scientific	BS-300
Animal monitoring & gating equipment	Small Animal Instruments Inc.	Model 1025	Only respiration monitoring used
Animal bed with temperature regulation	(In-house)