虚血性脳卒中の非侵襲的全脳イメージングのための統合光音響、超音波、および血管造影断層撮影(PAUSAT)

要約

この研究は、虚血性脳卒中の非侵襲的イメージングのためのマルチモーダル超音波ベースのイメージングプラットフォームの使用を示しています。このシステムは、光音響イメージングによる血液酸素化の定量化と、音響血管造影による脳内の灌流障害の定量化を可能にします。

要約

ここでは、光音響、超音波、血管造影断層撮影(PAUSAT)の3つの音響ベースのイメージング技術を統合した、新しく開発された非侵襲的イメージングシステムを使用した実験的虚血性脳卒中研究を紹介します。これら3つのモダリティを組み合わせることで、脳血液酸素化のマルチスペクトル光音響断層撮影(PAT)、脳組織の高周波超音波イメージング、脳血液灌流の音響血管造影が可能になります。マルチモーダルイメージングプラットフォームは、脳卒中後のマウス脳全体の脳灌流および酸素化変化の研究を可能にする。一般的に使用される2つの虚血性脳卒中モデル、永久中大脳動脈閉塞(pMCAO)モデルと光血栓(PT)モデルが評価されました。PAUSATは、脳卒中前後の同じマウス脳を画像化し、両方の脳卒中モデルを定量的に解析するために使用されました。この画像システムは、無傷組織(対側)と比較して、脳卒中梗塞領域(同側)の血液灌流と酸素化の有意な減少を含む、虚血性脳卒中後の脳血管の変化を明確に示すことができました。結果は、レーザースペックルコントラストイメージングとトリフェニルテトラゾリウムクロリド(TTC)染色の両方によって確認されました。さらに、両方の脳卒中モデルにおける脳卒中梗塞体積を測定し、グラウンドトゥルースとしてTTC染色によって検証した。この研究を通じて、PAUSATが虚血性脳卒中の非侵襲的および縦断的前臨床試験において強力なツールになり得ることを実証しました。

概要

血液は酸素(ヘモグロビンタンパク質を介して)やその他の重要な栄養素を体内の組織に輸送します。組織を通る血流が中断されると(虚血)、組織に深刻な損傷が起こり得、その最も直接的な影響は酸素欠乏(低酸素症)によるものです。虚血性脳卒中は、脳の特定の領域への血流の中断の結果です。虚血性脳卒中に起因する脳損傷は、血管閉塞から数分以内に発生する可能性があり、多くの場合、衰弱させ、永続的な影響を与える可能性があります^1,2。虚血性脳卒中後の生理病理学を評価し、新しい治療法を特定してテストするための非常に価値のある戦略は、実験室での小動物モデルの使用です。研究室で発見された治療法は、臨床使用に変換され、患者の生活を改善することを目的としています。ただし、生物医学研究における動物の使用は、ラッセルとバーチの3R原則(交換、削減、改良)に従って慎重に評価^{する必要があります3。}削減コンポーネントの目的は、データ収集を損なうことなく動物の数を減らすことです。このことを前提として、非侵襲的なイメージングによって病変の進展を縦断的に評価できることは、必要な動物数を減らすとともに、各動物から得られる情報を最大化する上で大きな利点となります⁴。

光音響断層撮影(PAT)は、光吸収....

プロトコル

すべての動物の手順は、デューク大学医療センターの動物の管理および使用委員会によって承認され、実験動物の人道的管理および使用に関する米国公衆衛生局の方針に従って実施されました。これらの研究には、雄と雌のC57BL / 6Jマウス( 材料表を参照)を使用しました。1回の脳卒中モデル群につき少なくとも3匹の動物を画像化した。このプロトコルで従うワークフローについては、 図 2 を参照してください。

図2:脳卒中に適用されたPAUSATイメージングの実験手順の概要。 Biorender.com で作成されました。図は、(A)2つの主要なストロークモデル(pMCAOとPTストローク)から始まるイメージング手順のワークフローを示しています。(B)動物をPAUSAT膜に配置する前に、マイクロバブルの逆軌道注入を....

ディスカッション

この方法には、誤って行うと画質と定量分析が大幅に低下する可能性のある重要な側面がいくつかあります。PAUSAT画像でユーザーエラーが発生する最も一般的な結果は、信号の欠如または非常に低い信号強度のいずれかであり、どちらもさまざまな理由で発生する可能性があります。そのような理由の1つは、音響結合の問題です。イメージング中にマウスの頭部を囲む水中の大きな気泡は、.......

資料

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)