Simultanea Imaging PET / MRI Durante mouse cerebrale ipossia-ischemia

Riepilogo

Il metodo qui presentata utilizza simultaneamente la tomografia ad emissione di positroni e la risonanza magnetica. Nel modello di ipossia-ischemia cerebrale, cambiamenti dinamici nel metabolismo del glucosio e diffusione si verificano durante e dopo l'infortunio. Il danno in continua evoluzione e irriproducibile in questo modello richiede la simultanea acquisizione se dati di imaging multimodali significativi devono essere acquisite.

Abstract

Cambiamenti dinamici nella diffusione dell'acqua dei tessuti e il metabolismo del glucosio si verificano durante e dopo ipossia cerebrale, in ipossia-ischemia che riflette un disturbo bioenergetica nelle cellule colpite. Diffusione ponderata risonanza magnetica (MRI) identifica le regioni che sono danneggiati, potenzialmente irreversibile, da ipossia-ischemia. Alterazioni della utilizzazione del glucosio nel tessuto interessato possono essere rilevabili mediante tomografia a emissione di positroni (PET) di 2-deossi-2- ⁽¹⁸ F) fluoro-ᴅ-glucosio ^([18F] FDG) captazione. A causa della natura rapida e variabili di lesioni in questo modello animale, acquisizione di entrambe le modalità di dati deve essere eseguita contemporaneamente al fine di correlare significato dati PET e MRI. Inoltre, la variabilità inter-animale in danno ipossico-ischemica a causa delle differenze vascolari limita la capacità di analizzare i dati multimodali e osservare i cambiamenti di un approccio di gruppo-saggio se i dati non è acquisito simultaneamente in singoli soggetti. Il metodo prisentirono qui permette di acquisire sia la risonanza magnetica pesata in diffusione e ^[18 F] FDG dati assorbimento nello stesso animale prima, durante e dopo la sfida ipossico al fine di interrogare i cambiamenti fisiologici immediati.

Introduzione

In tutto il mondo, l'ictus è la causa principale di morte secondo e una delle principali cause di disabilità ^1. La cascata di eventi biochimici e fisiologici che si verificano durante e acutamente a seguito di un evento di ictus avviene rapidamente e con implicazioni per la vitalità del tessuto e, infine, il risultato ^2. Cerebral ipossia-ischemia (HI), che porta a ipossico-ischemica encefalopatia (HIE), è valutato per interessare fino allo 0,3% e il 4% del fondo termine e pretermine nati rispettivamente ^3,4. Il tasso di mortalità nei neonati con HIE è circa il 15% al ​​20%. Nel 25% dei sopravvissuti HIE, complicazioni permanenti nascono come conseguenza della lesione, compreso il ritardo mentale, deficit motori, paralisi cerebrale, epilessia e ^3,4. Ultimi interventi terapeutici non si sono dimostrati degni di adozione come standard di cura, e il consenso deve ancora essere raggiunto che i metodi più avanzati, basati su ipotermia, sono effettivamente ridurre la morbilità ^3,5. Altre questioni of contesa includono modo di somministrazione di ipotermia e paziente selezione ^6. Così, le strategie per la neuroprotezione e neurorestoration sono ancora una zona fertile per la ricerca ^7.

Modelli di ratto di HI cerebrale sono disponibili dal 1960, e, successivamente, sono stati adattati ai topi ^8,9. A causa della natura del modello e la posizione della legatura, c'è la variabilità inerente alla soluzione per differenza di flusso collaterale tra animali ^10. Come risultato, questi modelli tendono ad essere più variabile rispetto a modelli simili come mezzo di occlusione dell'arteria cerebrale (MCAO). Misurazione in tempo reale di cambiamenti fisiologici è stata dimostrata con laser Doppler flussimetria nonché pesata in diffusione MRI ^11. La variabilità intra-animale osservata nel sangue flusso cerebrale durante e immediatamente dopo ipossia, così come nel esiti acuti quali il volume dell'infarto e neurologicadeficit, suggeriscono che l'acquisizione simultanea e correlazione dei dati multimodali sarebbe utile.

I recenti progressi nella tomografia a emissione di positroni simultanea (PET) e la risonanza magnetica (MRI) hanno permesso di nuove possibilità di imaging preclinico ^12-14. I potenziali vantaggi di questi, sistemi combinati ibridi per applicazioni preclinici sono stati descritti in letteratura ^15,16. Mentre molte domande preclinici possono essere affrontati con l'imaging di un individuo in sequenza animale o per l'imaging gruppi animali separati, certe situazioni - per esempio, quando ogni istanza di un evento come l'ictus si manifesta in modo univoco, con rapida evoluzione fisiopatologia - rendono auspicabile e addirittura necessaria utilizzare misurazione simultanea. Neuroimaging funzionale fornisce un esempio, dove simultanea 2-deossi-2- ⁽¹⁸ F) fluoro-ᴅ-glucosio ^([18F] FDG) PET e Bloo-livello di ossigeno d dipendente (BOLD) MRI è stata recentemente dimostrata in stimolazione ratto baffo studia ^14.

Qui, dimostriamo simultanea PET / MRI durante l'insorgenza di un ictus ischemico ipossico-in cui fisiologia del cervello non è a regime, ma invece è rapidamente ed irreversibilmente cambiando durante sfida ipossica. Le variazioni di diffusione dell'acqua, misurata dalla risonanza magnetica e quantificati per il coefficiente di diffusione apparente (ADC) derivato da immagini pesata in diffusione (DWI), è stato ben caratterizzato per ictus nei dati clinici e preclinici ^17,18. In modelli animali, come MCAO, diffusione di acqua nei tessuti cerebrali colpiti scende rapidamente a causa della cascata bioenergetico che porta a edema citotossico ^18. Questi cambiamenti acute ADC si osservano anche in modelli di roditori di ipossia cerebrale-ischemia ^{11,19. [18} F] di imaging FDG-PET è stato utilizzato in pazienti con ictus per valutare i cambiamenti in gl localemetabolismo ucose ^20, e un piccolo numero di studi in vivo su animali hanno utilizzato ^[18 F] FDG ^21, compreso nel modello ipossia-ischemia cerebrale ^22. In generale, questi studi dimostrano diminuita utilizzazione del glucosio nelle regioni ischemiche, sebbene uno studio utilizzando un modello con riperfusione trovato alcuna correlazione di questi cambiamenti metabolici con sviluppo miocardio dopo ^23. Questo è in contrasto ai cambiamenti di diffusione che sono stati associati con il nucleo ²¹ danni irreversibili. Pertanto, è importante essere in grado di ottenere le informazioni complementari derivato da ^[18 F] FDG PET e DWI in maniera simultanea durante l'evoluzione di ictus, come ciò possa fornire informazioni significative sulla progressione del danno e l'impatto interventi terapeutici. Il metodo che descriviamo qui è facilmente suscettibili di utilizzare con una varietà di traccianti PET e sequenze MRI. Ad esempio, ^[15 O] H ₂ O PETl'imaging con DWI e le immagini di perfusione ponderate (PWI) da RM può essere utilizzato per esplorare ulteriormente lo sviluppo della penombra ischemica e convalidare le attuali tecniche nel campo dell'imaging ictus.

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Protocollo

Tutti manipolazione e procedure animali descritti nel presente documento, e secondo il Test sugli animali: Segnalazione esperimenti in vivo (arrivano) le linee guida, sono stati eseguiti secondo protocolli approvati dalla Associazione per la valutazione di accreditamento di laboratorio Animal Care (AAALAC) internazionale accreditata Istituzionale Animal Care e Comitato Usa presso l'Università della California, Davis. Chirurgia corretta non dovrebbe comportare segni di dolore o fastidio negli animali, ma misure adeguate devono essere prese se si osservano questi segni, tra cui la somministrazione di analgesici o, in alcuni casi, l'eutanasia. Il lato destro degli animali è stata scelta arbitrariamente per la procedura descritta unilaterale.

1. unilaterale carotide comune (CCA) legatura

1. Preparare campo sterile con strumenti chirurgici sterilizzati e materiali posizionati convenientemente. Assicurarsi rilievo di riscaldamento viene riscaldato a 37 ° C con sonda di temperatura posizionato saldamente sul pad. & #160; Assicurarsi di utilizzare un telino sterile per coprire il sito chirurgico.
2. Anestetizzare animali (isoflurano, 1-3% in aria a 0.5-1 L / min), e posizionare animale in una posizione supina con la coda di fronte lontano. Controllare anestesia pizzicando la punta - questo dovrebbe suscitare nessuna reazione se l'animale sia adeguatamente anestetizzato. Applicare pomata oftalmica per gli occhi.
3. Applicare la crema depilazione a collo inferiore a zona superiore del torace con 1-2 tamponi di cotone. Attendere 1-3 minuti, e poi rimuovere i capelli e crema con bagnate di garza o alcool tamponi. Tampone zona incisione con Betadine in modo circolare dall'interno verso l'esterno, e quindi modificare in guanti chirurgici sterili.
4. Utilizzando le forbici chirurgiche, fare un'incisione di circa 1 centimetro lungo la linea mediana del collo inferiore. Separare con cura la pelle esterna di fascia circostante con le forbici chirurgiche.
5. Utilizzando due pinze McPherson iris micro sutura, separare il diritto carotide comune di fascia, avendo cura di evitare di danneggiare le vene o disturbing il nervo vago.
6. Utilizzando le pinze a destra, esteriorizzare destra CCA in una posizione stabile. Applicare alcune gocce di soluzione salina per evitare l'asciugatura. Passare una lunghezza adeguata (2-3 cm) di 6-0 sutura di seta sotto il diritto CCA, e legare con un doppio nodo quadrato. Facoltativamente, legare di nuovo utilizzando un secondo tratto di sutura di seta 6-0.
7. Riposizionare destra CCA e pulire il liquido in eccesso di aprire con una spugna sterile con punta tampone. Chiudere l'incisione con 6-0 sutura di seta. Applicare lidocaina topica fino a 7 mg / kg.
8. Permettere agli animali di recuperare da anestesia fino ambulatoriali (circa 30 min) ed eseguire il monitoraggio post-operatorio fino a quando animale è pronto per l'imaging.

2. Preparazione per l'imaging: sistema hardware e controlli

1. Impostare hardware e software per i sistemi di risonanza magnetica e PET e controllare la loro funzionalità come segue. Assicurarsi che tutte le connessioni fisiche siano sicuri e impostazioni del software sono opportunamente selezionati.
   1. Assicurarsi che il sistema PET è alla temperatura di esercizio prescritto di 5 ° C utilizzando il sistema di raffreddamento ad aria.
   2. Sistema di montaggio PET all'interno del foro risonanza magnetica, allineando il campo PET e RMN di vista (FOV) i centri che utilizzano note offset assiali. Montare la bobina MRI all'interno del foro del sistema PET e centrare la bobina con il sistema PET e centri magnete MRI.
   3. Accendere l'elettronica di PET per il potere e la tensione di polarizzazione (Nota: passaggi variano da strumento). Eseguire una scansione rapida (5 minuti) utilizzando un cilindro di ⁶⁸ Ge e controllare il sinogramma risultante per garantire che tutti i rivelatori sono operativi.
   4. Opzionalmente acquisire dati da utilizzare per una matrice di trasformazione di PET / MRI a fini di co-registrazione: riempire un fantasma tridimensionale (ad esempio, tre sfere piene) con 200 uCi di ¹⁸ soluzione acquosa F e di acquisire per 15 minuti con il PET. Acquisire anatomica dati MRI: nella finestra Scan Control, selezionare il multistrato (MPMI) sequenza-echo multi (vedi Tabella 1 ). Ripetere l'operazione per tutti e tre i principali orientamenti: assiale, sagittale, coronale e.
2. Controllare le impostazioni della pompa di infusione e il funzionamento. Impostare la pompa 4.44 ml al minuto, che in 45 min di infusione costante eroga un volume totale di 200 microlitri, il limite tipico raccomandato per iniezione iv di 20 g animale.
3. Controllare il funzionamento del riscaldatore e verificare che l'uscita di temperatura è sufficiente a mantenere l'animale caldo (37 ° C). Verificare che la temperatura e il monitoraggio delle vie respiratorie è operativo in preparazione per il posizionamento degli animali sul letto animali.
4. Controllare il funzionamento delle O ₂ e N ₂ flussimetri (0,5 L / min: O ₂ al 57,2 mg / min e _N 2 a 0.575 g / min) accendendo sia con la sorgente di aria compressa off e O ₂ e N ₂ Fonti via. Per evitare il rischio di danneggiare i flussimetri, non accenderli senza una sufficiente pressione di ingresso.
5. Assicurarsi che isoflurano vaporizer è sufficientemente riempito. Prima di imaging, avviare il flusso anestesia isoflurano al 1-2% e 0,5-1 l / min.
6. Preparare animale base, garantendo che i anestesia, rilievo respiratorie e sistemi di riscaldamento sono posizionati in modo sicuro e funzionale. Per ulteriori PET / MRI precisione co-registrazione, marker fiduciali (ad esempio, tubi capillari riempiti con radiotracer a una concentrazione simile a quella iniettata per l'imaging) possono essere fissati al letto animali che rientrano nel campo di vista.

Flusso di lavoro 3. Imaging

Dopo che tutti i necessari controlli di attrezzature sono stati completati, procedere con l'imaging come segue:

1. Anestetizzare l'animale con isoflurano e inserire il catetere vena della coda (28 ago G, PE-10 tubazione inferiore 5 cm) riempito di soluzione fisiologica eparinizzata (0,5 ml di eparina, 1000 USP / ml, 10 ml di soluzione salina in). Il riscaldamento del animale e / o di coda può migliorare la precisione di inserimento del catetere. Facoltativamente una goccia di cianoacrilato sul sito di inserimentoPer garantire la linea IV.
2. Trasferire l'animale al letto preparati per gli animali. Assicurarsi che la testa dell'animale è sicuro, con incisivi superiori garantiti dai bar e bar orecchio denti a posto se in uso.
3. Applicare pomata oftalmica per gli occhi per evitare l'essiccazione. Inserire il termometro sonda rettale. Assicurarsi che la temperatura e le letture di respirazione sono funzionali.
4. Aspirare la dose radiotracciante (circa 600 pCi in 200 microlitri) da iniettare in eparinizzata PE-10 tubo di lunghezza adeguata - circa 3 m per PE-10 tubo e un volume di 200 microlitri. Collegare un'estremità di questo tubo alla siringa pompa per infusione, e l'altro per la linea di cateteri vena della coda, avendo cura di non creare fori nel tubo.
5. Spostare il letto animale avanti nel foro del magnete, facendo attenzione a non disturbare il posizionamento della bobina MRI e delle linee o cavi, in particolare il tubo anestesia. Assicurarsi che il centro del cervello è allineato con i centri della MBobina di RI, sistema PET, risonanza magnetica e magnete.
6. Eseguire la sintonia e la congruenza della bobina MRI ruotando le manopole di regolazione sulla batteria, minimizzando impedenza (vedi descrizione bobina) e frequenza (300 MHz ^per 1 ora a 7 Tesla) mismatch osservando il display del preamplificatore alta potenza.
7. (MRI) Dopo la sintonizzazione e di corrispondenza, di acquisire un'immagine scout: selezionare una sequenza tripilot RARO ed eseguire la sequenza dalla finestra Scan Control. Controllare posizionamento dell'animale, ripetendo i punti 3.5 e 3.6, se necessario. Ripristina spessori per valore zero.
8. (MRI) Acquisire un localizzata, spettroscopica scansione punto-risolto (PRESS) in un volume all'interno del cervello: eseguire una sequenza PRESS (vedi tabella 1) in un volume rettangolare con dimensioni 3,9 mm × 6 mm x 9 mm. Controllare l'acqua spessore della linea utilizzando il comando macro CalcLineWidth. Se la larghezza a (FWHM) Valore mezza massimo è accettabile (ad esempio, 0,2 ppm), passare al punto 3.10. In caso contrario, passare al punto 3.9.
9. (MRI) Acquisire una mappa dei campi: eseguire una sequenza FieldMap (vedi tabella 1). Utilizzare i dati risultanti per un multi-angolo di proiezione spessore (MAPSHIM) eseguendo il comando macro MAPSHIM e selezionando lineare e secondo ordine (z ²⁾ regolazioni locali. Ripetere il punto 3.8.
10. (MRI) Posizionare il piano di sezione per la scansione DWI (vedi tabella 1): utilizzando la geometria Editor, assicurarsi che l'acquisizione FOV è posizionata per acquisire il volume desiderato di interesse all'interno del cervello. Se il piano di sezione risultante è allineato, se lo desideri, copiare questo piano di sezione nella finestra Scan Control per tutte le successive scansioni DWI. Inizia acquisizione.
11. (PET) Con l'acquisizione PET preparato e pronto per iniziare, avviare la pompa per infusione. Dopo il ritardo predeterminato in cui salina dal catetere è stato iniettato, iniziare l'acquisizione PET (vedi Tabella 1) al fine di catturare l'ingresso di radiotracciante. Monitorare il tasso di conteggio e cercare incremento gradualein conteggi indicativi di una iniezione di successo.
12. Dopo 10-15 minuti, iniziare la sfida in concomitanza con il passaggio ipossico 3.12. Per avviare sfida ipossica, spegnere il flusso d'aria medico e subito accendere O ₂ e N ₂ misuratori di portata con le impostazioni predeterminate per fornire l'8% di ossigeno e 92% di azoto e ridurre isoflurano allo 0,8%. Non accendere i misuratori di portata, senza pressione in ingresso.
13. (MRI) Allo stesso tempo come passo 3.12, iniziano acquisizione DWI preparato al punto 3.10 (scansione "H1").
14. (MRI) Begin acquisizione DWI (scan "H2"), preparato nel passo 3.10, subito dopo la scansione H1 è completata. Fine sfida ipossico spegnendo misuratori di portata, il ripristino del flusso aria medicale, e tornando la concentrazione isoflurano per un valore adeguato sulla base di monitoraggio fisiologico.
15. (MRI) Acquisire un DWI post-ipossia scan preparato al punto 3.10. Spegnere la pompa di infusione dopo la scansione è stata completata.
16. (MRI) Acquisire Anatimmagini omical in assiale e sagittale. Nella finestra Scan Control - selezionare la sequenza MPMI (vedi tabella 1). Utilizzando la geometria Editor, assicurarsi che l'acquisizione FOV ricopre il cervello.
17. Rimuovere animale, tornare alla gabbia quando ambulatoriale e valutare segni di morbilità, eutanasia, se necessario, con la somministrazione di CO ₂ seguita da dislocazione cervicale come metodo secondario.

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Risultati

La Figura 1 mostra il risultato di una corretta legatura dell'arteria carotide comune, prima di chiudere la ferita con sutura di seta 6-0.

In questo metodo, i dati ottenuti dalle immagini è altamente dipendente dalla disposizione temporale dell'esperimento, che a sua volta determina ed è anche dettata dalle limitazioni sperimentali compresi sistemi di acquisizione di immagini e la configurazione dell'apparecchiatura. Queste e altre considerazioni sono ulteriorm...

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Discussione

Simultanea RM anatomica, e dinamica ^[18 F] dati FDG PET DWI-risonanza magnetica e sono stati acquisiti con successo da animali da esperimento durante sfida ipossica seguente arteria carotide comune legatura. Questo rappresenta un potente paradigma sperimentale per l'imaging multimodale della fisiopatologia rapida evoluzione associata insulti ischemici cerebrali e potrebbe facilmente essere esteso per studiare altri radiotraccianti PET (per esempio marcatori di neuroinfiammazione) e sequenze MRI, nonché l...

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Materiali

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)