Valutare corticali cerebrali microinfarti in alta risoluzione MR Immagini

Riepilogo

Un alta risoluzione ex vivo protocollo di imaging RM 7T è presentato, eseguire la convalida istopatologica MR-guidata del microvascolare patologia nel tessuto post mortem cervello umano. Inoltre, le linee guida sono previste per la valutazione dei microinfarti corticali in in vivo 7T così come le immagini 3T MR.

Abstract

Microinfarti cerebrali sono risultati frequenti nel cervello umano post mortem, e sono legati al declino cognitivo e demenza. Per le loro piccole dimensioni, è difficile studiarli in scansioni MRI clinici. E 'stato recentemente dimostrato che microinfarti corticali possono essere raffigurati con scanner MRI che utilizzano i punti di forza del campo magnetico elevate (7T). Sulla base di questa esperienza, una parte di queste lesioni è visibile anche sulla risoluzione inferiore 3T MRI. Questi risultati sono stati confermati con ex vivo imaging post mortem di tessuto cerebrale umano, accompagnato dalla verifica istopatologico di possibili microinfarti corticali.

Ecco un protocollo ex vivo di imaging viene presentato, al fine di convalidare MR osservato cerebrale microvascolare patologia con la valutazione istologica. Inoltre, le linee guida sono previste per la valutazione dei microinfarti corticali su entrambi in vivo 7T e 3T MR immagini. Queste linee guida forniscono ricercatori wesimo uno strumento per valutare microinfarti corticali sulle immagini in vivo di campioni di pazienti più grandi, per svelare ulteriormente la loro rilevanza clinica di declino cognitivo e demenza, e stabilire queste lesioni come un romanzo biomarcatore di malattia dei piccoli vasi cerebrali.

Introduzione

L'applicazione di ultra-alto campo 7 Tesla (T) MRI negli studi di pazienti si sta rapidamente progredendo ^1. Questo articolo introduce un'applicazione rappresentante 7T MRI nel contesto della malattia cerebrovascolare nel cervello umano invecchiamento. La malattia cerebrovascolare è una delle principali cause di declino cognitivo e demenza. Questo contributo alla demenza vascolare spesso coinvolge i piccoli vasi del cervello, come le arteriole, piccole vene e capillari. Quindi, si parla di piccola malattia cerebrale vasi (SVD) ^2. Poiché i piccoli vasi cerebrali sono troppo piccoli per catturare con RM convenzionale, solo le conseguenze di SVD - cioè, il danno tissutale risultante - possono essere visualizzati. Questo include bianco iperintensità materia, microsanguinamenti cerebrali e infarti lacunari ^3.

Altre manifestazioni importanti sono SVD microinfarti cerebrali (CMIS) ^4. Studi autoptici riportano alta prevalenza di CMIS in Vasclare demenza e malattia di Alzheimer ^5. Tuttavia, a causa delle loro ridotte dimensioni (da 50 micron a pochi mm) sfuggono rilevamento sul convenzionale MRI ^4,5. 7T MRI fornisce immagini ad alta risoluzione con una migliore rumore rapporto segnale-e contrasto, che consente il rilevamento di alcune strutture e lesioni oltre il limite di rilevamento RM convenzionale. Questa tecnica è stata pertanto estesa a rilevare CMIS. Per identificare possibili CMIS, molti in vivo scansioni MRI 7T precedentemente sottoposti a screening per le lesioni con dimensioni <5 mm e di imaging caratteristiche coerenti con le proprietà ischemiche. Tali lesioni possono essere identificati in modo affidabile nella corteccia. Queste lesioni allungate focali erano iperintensa in 7T FLAIR (voxel 0,8 mm isotropo), limitato alla corteccia e sembrava estendersi dalla superficie corticale, iperintensa in T2 (voxel 0,7 mm isotropici), e ipointensa in T1 (1,0 mm voxel isotropico). È stato confermato che queste lesioni erano CMIS corticali usando unMR-guidati approccio istopatologia in post-mortem ^6,7 tessuto cerebrale umano.

Qui, il protocollo ex vivo MRI è presentato che è stato utilizzato in studi precedenti per la validazione istopatologica di CMIS corticali. In secondo luogo, le linee guida sono previste per la valutazione di CMIS corticali in in vivo 7T MRI. Infine, la valutazione della CMIS corticali su 7T è stato tradotto in più ampiamente disponibile 3T MRI, e le linee guida sono forniti come identificare CMIS corticali su 3T MRI.

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Protocollo

L'uso dei campioni autoptici e in vivo immagini RM di questo protocollo era in conformità alla normativa vigente e approvato dal Comitato Etico locale della University Medical Center di Utrecht (UMCU).

1. MR-guidate istopatologico Validazione dei corticale microinfarti

1. Ex vivo MRI
   1. Quando si maneggia il tessuto cerebrale, indossare sempre guanti e indumenti protettivi adatti.
   2. Sulla base della domanda di ricerca, selezionare adeguati preferibilmente di spessore 10 mm, fissati in formalina lastre, cerebrali. Le lastre cervello di questo documento sono stati ottenuti dal dipartimento neuropatologia della UMCU, e VU University Medical Centre (VUMC), basati sulla nota patologia Alzheimer.
      1. Formalina fix cervelli interi per almeno 3-4 settimane per immersione in formalina al 10%, prima del taglio. Tagliare i cervelli in lastre coronali, contenente entrambi gli emisferi.
      2. Per la scansione post mortem, selezionare ad esempio sla tre cervellobs per cervello, preso dal frontale temporo-parietale, e occipitale regioni del cervello. L'attuale protocollo è ottimizzato per l'utilizzo di tre lastre cerebrali coronali, contenente entrambi gli emisferi, in una sessione di scansione.
   3. Prendere fotografie delle lastre cerebrali su entrambi i lati (dorsali e caudale), e prendere appunti accurati (o fare schizzi) dell'orientamento delle lastre nel contenitore e nello scanner, per poi co-localizzazione di istologia con MRI.
   4. Riempire un contenitore appositamente costruito (Figura 1) - in questo caso uno che si adatta all'interno della bobina testa MR - con il 10% di formalina fresca a RT. Se il segnale MRI dal fluido è indesiderato, utilizzare un perfluoropolietere (PFPE) con una densità del lubrificante adatto invece di formalina (come Fomblin o Galden PFPE). Assicurarsi di utilizzare una cappa a flusso durante la manipolazione formalina.
   5. Quando si posizionano le lastre del cervello nel contenitore, assicurarsi di evitare bolle d'aria. Rimuovere la maggioranza di bolle d'aria delicatamente shaking il tessuto, sia a mano, o utilizzando un bagno ad ultrasuoni o shaker.
   6. Assicurarsi che le lastre non possono muoversi all'interno del contenitore e limitare la quantità di liquido necessario, utilizzando un contenitore più piccolo per mantenere le lastre in posizione (figura 1).
   7. Coprire il contenitore con plastica o parafilm, per evitare l'evaporazione e per proteggere il MR (testa) bobina da potenziale contaminazione (Figura 2).
   8. Utilizzare un corpo intero 7T MRI scanner con una bobina appropriata. In questo protocollo una doppia trasmissione e 32 canali ricevono bobina testa viene utilizzato.
   9. Posizionare il contenitore nella bobina testa, avvolta in un asciugamano o chirurgico underpad, per evitare eventuali fuoriuscite di liquido. Assicurarsi che il contenitore non può muoversi, e che le lastre rimangono in posizione orizzontale (Figura 2).
   10. Eseguire una scansione di analisi che può essere utilizzato per la pianificazione delle scansioni ad alta risoluzione, corretta disomogeneità B0 utilizzando uno strumento shimming appropriata, e calibrare la potenza RFper ottenere gli angoli buffetto corrette (le poche lastre richiedono meno energia rispetto alla scansione in vivo di tutta la testa) secondo il protocollo del produttore.
   11. Pianificare le acquisizioni ad alta risoluzione sulla scansione indagine, al fine di garantire le lastre del cervello sono pienamente integrate nel campo visivo-. Eseguire la scansione delle lastre cervello O / N con le acquisizioni ad alta risoluzione indicati nella tabella 1, che sono ottimizzati per l'imaging ex vivo. Il protocollo di acquisizione presentato qui include un'immagine pesata 3D FLAIR, T2 e T1 con una risoluzione di 0,4 mm isotropo, e T2 * immagine pesata con una risoluzione di 0,18 mm isotropo.
   12. Identificare i processi software automatici che possono interrompere la scansione, come automatizzati up-date che eseguono O / N, o avvertenze per la stimolazione dei nervi periferici, e assicurarsi che le procedure dello scanner non vengano interrotte da questi.
   13. Monitorare lo scanner O / N per eventuale conferma pop-up che possono interrompere la scansione, utilizzando ad esempio una connessione VPN.
   14. Restituisce la mattina seguente (dopo un tempo di scansione totale di circa 12 ore nel protocollo corrente). Conservare le lastre cervello in formalina, ripulire.
   15. Salvare le immagini su un disco rigido esterno.

Figura 1. Preparazione del fissati in formalina lastre per la scansione del cervello post-mortem a 7T MRI. Un contenitore Perspex costruito appositamente è pieno di entrambi il 10% formalina o un perfluoropolietere (PFPE) lubrificante se il segnale MRI dal fluido è indesiderato. Tre 10-mm di spessore lastre coronali del cervello fissati in formalina vengono inseriti nel contenitore. Un contenitore più piccolo è utilizzato per mantenere le lastre in posizione. Nastro il secondo contenitore al primo, per impedire il movimento.

Figura 2. Posizionamentodi container appositamente costruito in 7T bobina testa. Coprire il contenitore con plastica o parafilm per evitare l'evaporazione della formalina. Porre il recipiente, racchiuso in un asciugamano o underpad chirurgica, nella bobina testa di uno scanner 7T MR. Assicurarsi che il contenitore non può muoversi, e che le lastre rimangono in posizione orizzontale.

2. Istopatologia
   1. Individuare possibili CMIS corticali - o altre lesioni di interesse - sulle immagini acquisite. Queste lesioni sono gli obiettivi per l'analisi istologica. Attenzione per i manufatti, come i danni post mortem di tessuto (che a volte appaiono sulla superficie di lastre cerebrali a causa di tagli) o artefatti di storage in formalina a lungo termine (ad esempio, hypointensities MRI grossolani che rappresentano modifiche neuropil ^8).
      Nota: I diversi sottotipi istopatologici su CMIS corticali hanno diverse caratteristiche MR. Per maggiori dettagli sui sottotipi CMI, si rimanda il lettore a un recente studio ex vivo ^7.
   2. After individuare eventuali CMIS corticali sulle immagini RM, assaggiare la regione di interesse per la convalida istopatologico. Assicurati di tagliare una regione, che contiene punti di riferimento anatomici, per la successiva corrispondenza della RM con istopatologia. Eseguire istopatologia di serie, come seguito (ma possono essere applicati anche altri approcci).
   3. Tagliare una regione di circa 30 x 20 x 5 mm ³ contenente una possibile corticale CMI.
   4. Per ottenere un campionamento accurato, stimare la posizione della lesione per lo spessore fetta delle immagini RM, e l'architettura del tessuto. Tagliare manualmente il tessuto leggermente sopra la posizione della lesione stimato limitare la quantità di sezionamento seriale (dopo paraffina) che è necessaria per il targeting della lesione.
   5. Assicurarsi che il tessuto prelevato si inserisce una cassetta tessuto. Posizionare la superficie da tagliare a faccia in giù nel cassetto.
   6. Tenere tutti i cassetti di tessuti in formalina al 10%, fino a quando il trattamento dei tessuti.
   7. Elaborare il tessuto per paraffina. Questo di solito comporta una procedura automatizzata di disidratazione del tessuto, attraverso una serie di alcol graduata (per esempio, il 70% al 95% a 100%) bagni, e compensazione del tessuto in xilene.
   8. Incorpora il tessuto in blocchi di cera di paraffina. Assicurarsi che la superficie da tagliare rivolto verso l'alto dopo l'incorporazione.
   9. Tagliare 4-6 micron sezioni seriali con un microtomo, fino a quando la lesione bersaglio viene recuperato.
   10. Float sezioni sulla superficie di un bagno di acqua 37 ° C. Montare le sezioni su vetrini. Porre i vetrini su un blocco di riscaldamento per legare il tessuto al vetro. Conservare scivola O / N a RT.
   11. Eseguire un colorazione appropriata (ad esempio, colorazione H & E) sulle prime sezioni, tenere sezioni vuote adiacenti per un ulteriore uso (ad esempio, immunoistochimica).
   12. Coverslip sezioni H & E macchiato, con una goccia di mezzo di sua scelta di montaggio. Abbassare delicatamente lo slittamento, evitando bolle d'aria.
   13. Studiare le sezioni utilizzando un microscopio ottico, ad una rivista appropriatanification. Confrontare sezioni per le immagini RM precedentemente ottenuti.

2. Valutare microinfarti corticali su In Vivo 7T MRI

1. Eseguire 7T MRI nella popolazione di pazienti di tuo interesse, utilizzando il protocollo vivo a risonanza magnetica (che include almeno un FLAIR 3D), come descritto ^al punto 6.
2. Valutare CMIS corticali sulle immagini in vivo 7T MR, come specificato nelle istruzioni riportate di seguito, utilizzando i seguenti criteri di valutazione 7T per CMIS: CMIS corticali sono iperintense in FLAIR (con o senza un centro ipointensa), iperintensa in T2, ipointensa in T1, rilevabile su almeno due viste del cervello (ad esempio, sagittale e trasversale), limitato alla corteccia, distinto da spazi perivascolari, con una dimensione massima ≤4 mm ^6,7.
3. Usare un'interfaccia con tre visualizzatori di immagini, per visualizzare contemporaneamente FLAIR, T1, T2 e immagini, ad esempio, MeVisLab (Figura 3). Questo allo piattaformaws di incorporare più spettatori e di collocare i marcatori su posizioni possibili lesioni.
4. Prima di valutare un emisfero su FLAIR in vista sagittale. Schermo tutta la corteccia per lesioni iperintense. Qualsiasi hyperintens lesione ≤4 mm è possibile CMI. Posizionare i marcatori cliccando su ogni possibile CMI.
5. Ripetere l'operazione per l'altro emisfero.
6. Verificare tutti i punti segnati sul T1 e T2. Scartare una posizione se non è ipointensa in T1 o T2 iperintensa in.
7. Valutare vista trasversali, su FLAIR, T1, e T2. Scartare una posizione se non è visibile. Controllare la vista coronale in caso di dubbio.
8. Attenzione per artefatti MRI e variazioni anatomiche (soprattutto bordi sulcal).
9. Salvare i marcatori.

Figura 3. Esempio piattaforma panoramica immagine per la valutazione di microinfarti corticali. Un'interfaccia viene utilizzato, integrated in MeVisLab. Questo programma permette di integrare più spettatori contemporaneamente, per passare facilmente tra sagittale / trasversale / orientamento coronale, e di inserire e salvare i marcatori su posizioni possibili lesioni. (Altri marcatori possono essere scelti per diversi tipi di lesioni).

3. Valutare microinfarti corticali su In Vivo 3T MRI

1. Acquisire immagini 3T RM della popolazione di pazienti di tuo interesse. I dati esistenti possono anche essere utilizzati purché il protocollo RM conteneva almeno T1 3D, e un tocco e T2.
2. Valutare CMIS corticali sulle immagini in vivo 3T MR, come specificato nelle istruzioni riportate di seguito, utilizzando i seguenti criteri di valutazione 3T per CMIS: CMIS corticali sono ipointensa in T1 (isointense con CSF), rilevabili su almeno due punti di vista del cervello (ad es sagittale e trasversale), limitato alla corteccia, distinto dagli spazi perivascolari, il cui maggior ≤4 mm dimensione.
   1. Esplora la posizione di un hypointense lesione corticale trovato il T1 e T2 FLAIR immagini pesate. Vota la lesione come un probabile corticale CMI se la posizione è iperintensa o isointense (con la materia grigia) su FLAIR e T2. Eliminare la lesione se nella stessa posizione un segnale ipointenso si trova su T2, indicando la lesione ipointensa T1 è a causa di una lesione emorragica, una nave o un artefatto. In caso di dubbio, controllare la posizione su un T2 * immagine ponderata ^9.
3. Utilizzare la stessa interfaccia come descritto sopra.
4. Prima di valutare un emisfero su T1 in vista sagittale. Schermo tutta la corteccia per le lesioni ipointense focali. Qualsiasi ipointensa lesione ≤4 mm è possibile CMI. Posizionare i marcatori cliccando su ogni possibile CMI.
5. Ripetere l'operazione per l'altro emisfero.
6. Valutare trasversali T1, e verificare simultaneamente tutti i punti contrassegnati sulla trasversale FLAIR e T2. Regard la posizione come un probabile CMI se è iperintensa o isointense su FLAIR e T2. Scarta una posizione if sembra essere un artefatto o variazione anatomica. Scarta una posizione, se è ipointensa in T2.
7. Attenzione per i manufatti che assomigliano CMIS su T1 pesate, soprattutto suonando artefatti ai 'bordi' del cervello che apparirà in diversi circonvoluzioni adiacente, attenzione per i bordi di solchi, attenzione per navi di grandi dimensioni nei lobi temporali (a i poli). Infine, si raccomanda di scartare eventuali CMIS corticali in tessuto in prossimità di un grande infarto corticale.
8. Salvare i marcatori.

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Risultati

Un'impressione di alta risoluzione e la qualità di immagine di una sequenza ex vivo acquisito a 7T è fornito qui (Figura 4). Questo è un T2 3D ex vivo scansione * ponderati, con una risoluzione di 0,18 mm isotropo. Tessuto è stato derivato da un 84 anni di sesso femminile demente con patologicamente comprovata malattia di Alzheimer e grave angiopatia amiloide cerebrale (CAA). Il dettaglio dell'immagine p...

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Discussione

CMIS hanno attirato una crescente attenzione negli ultimi anni. Un crescente corpo di evidenze derivate da studi autoptici ha identificato CMIS come importanti contributi per il declino cognitivo correlato all'età e la demenza ^4,5. CMIS sono ora rilevabili su 7T e anche 3T MRI. Ottimizzazione e standardizzazione dei protocolli di valutazione per queste lesioni sosterrà una rapida attuazione delle robuste e valide rilevamento CMI negli studi di coorte in tutto il mondo. Ciò consentirà una valutazione d...

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fomblin / Galden PFPE	Solvay Solexis, Bollate, Italy
7T MR system	Philips Healthcare, Cleveland, OH, USA
32-channel receive head coil	Nova Medical, Wilmington, MA, USA
MeVisLab	MeVis Medical Solutions AG, Bremen, Germany