마우스 대뇌 저산소증 - 허혈 동안 동시 PET / MRI 영상

요약

여기에 제시된 방법은 동시 양전자 방출 단층 촬영 및 자기 공명 영상 법을 사용한다. 대뇌 저산소증 - 허혈 모델에서, 확산 및 당 대사에 역동적 인 변화는 동안과 손상 후 발생합니다. 의미있는 멀티 모달 촬상 데이터를 취득 할 경우에이 모델 진화 재생 불가능한 손상 동시 획득을 필요.

초록

조직 물 확산 및 포도당 대사의 동적 변화는시와 영향을받는 세포의 생체 에너지 교란을 반영하는 대뇌 저산소증 - 허혈에 저산소증 후에 발생합니다. 확산 강조 자기 공명 영상 (MRI)을 저산소 허혈, 잠재적으로 비가 역적으로, 손상된 영역을 식별한다. 영향을받는 조직에서의 포도당 수치의 변화는 양전자 방출 단층 촬영 2- 데 옥시 -2- ⁽¹⁸ F) 플루오로 ᴅ 포도당 ^([18 F] FDG) 흡수 (PET) 영상으로 검출 할 수있다. 이로써 동물 모델에서 상처의 급속한 가변 특성으로 데이터의 두 모드의 획득은 의미 PET과 MRI 데이터를 상호 연관시키기 위해 동시에 수행되어야한다. 또한 인한 혈관 차이 저산소 - 허혈 손상에 간 동물 변이성 멀티 모달 데이터를 분석하고 데이터 개별 피험자에서 동시에 획득되지 않는 경우 기 현명한 방식으로 변화를 관찰 할 수있는 능력을 제한한다. 메소드 P여기 분개 중 하나는 이전과 동일한 동물에서 확산 강조 MRI 및 [F ^18] FDG 흡수 데이터 모두를 취득 할 수 있고, 저산소 접종 후 즉시 생리적 변화를 심문하기 위해.

서문

전 세계적으로, 스트로크는 두 번째로 높은 사망 원인 ¹ 및 장애의 주요 원인이다. 동안 발생 및 급성 뇌졸중 이벤트를 다음과 같은 생화학 적 및 생리 학적 사건의 폭포는 신속하고 조직의 생존 및 궁극적으로 결과 ^2의 영향으로 발생합니다. 저산소 성 허혈성 뇌증 (HIE)로 연결 대뇌 저산소증 - 허혈 (HI), 0.3 % 및 전체 기간 및 미숙아 출산, 각각 ^{3, 4의} 4 %에 영향을 미치는 것으로 추정된다. HIE 영아의 사망률은 약 15 % 내지 20 %이다. HIE 생존자의 25 %에서, 영구 합병증 정신 지체, 모터 적자, 뇌성 마비, 간질 및 ^3,4- 포함 부상의 결과로 발생한다. 과거 치료 개입은 치료의 표준으로 채택의 가치가 입증되지 않은, 그리고 저체온증을 기반으로 가장 진보 된 방법은, 효과적으로 이환율 ^3,5를 줄이는 것을 합의는 아직 도달 할 수있다. 다른 문제 OF 경합은 저체온증과 환자의 선택 ^(6)의 관리 방법을 포함한다. 따라서, 신경 및 신경 복원을위한 전략은 여전히 연구 ⁷ 비옥 한 지역이다.

대뇌 HI의 쥐 모델은 마우스 ^8,9에 적응 된 이후 1960 년대부터 사용할 수, 그리고있다. 인해 모델 및 결찰 위치의 특성으로 인해 동물 ⁽¹⁰⁾ 사이의 측부 흐름의 차이에 대한 결과 고유의 변동이있다. 따라서, 이러한 모델은 중간대 뇌동맥 폐색 (MCAO)과 유사한 모델에 비해 더 가변되는 경향이있다. 생리적 변화의 실시간 측정은 레이저 도플러 flowmetry뿐만 아니라 확산 강조 MRI ¹¹ 입증되었다. 동안 즉시 저산소증 후뿐만 아니라, 경색 량과 같은 신경계의 급성 대뇌 결과에 혈액 유동 관찰 인트라 동물 변이성적자, 복합 데이터를 동시에 수집 및 상관 관계가 도움이 될 것이라는 점을 시사한다.

동시 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 및 자기 공명 영상 (MRI)의 최근 발전은 전임상 촬상 ^12-14에 새로운 가능성을 허용하고있다. 전임상 애플리케이션이 하이브리드 조합 시스템의 잠재적 이점들은 문헌 ^{15, 16에} 기재되어있다. 뇌졸중과 같은 이벤트의 각 인스턴스가 고유하게 드러난다 때 빠르게 병태 생리를 진화로, 예를 들어 - - 많은 전임상 질문 개인 동물 순차적으로 이미징 또는 별도의 동물 그룹, 특정 상황 이미징에 의해 해결 될 수 있지만 것이 바람직하고도 필요한 확인 동시 측정을 사용할 수 있습니다. 기능적 뇌 영상은 하나의 예를 들어, 동시 2- 데 옥시 -2- ⁽¹⁸ F) 플루오로 ᴅ 포도당 ^([18 F] FDG) 애완 동물과 (B100)를 제공종속 (BOLD) MRI는 최근에 쥐 수염 자극 입증되었다 D-산소 레벨 ^14을 연구.

여기서는 뇌 생리학 정상 상태에 있지 않은 저산소 허혈성 뇌졸중의 발병 동안 동시 PET / MRI 영상을 보여으나 신속하고 비가 역적으로 저산소 도전 중에 변화된다. , MRI에 의해 측정하고, 확산 강조 영상 (DWI) 유래의 명백한 확산 계수 (ADC)에 의해 정량화로서 물 확산의 변화는 잘 임상 및 임상 데이터 ^{(17, 18)의} 스트로크 특징으로하고있다. 같은 MCAO 같은 동물 모델에서 영향을받는 뇌 조직에 물 확산으로 인해 세포 독성 부종 ^(18)로 이어지는 바이오 에너지 폭포로 빠르게 떨어진다. ADC에서 이러한 급성 변화는 대뇌 저산소증 - 허혈 ^11,19의 쥐 모델에서 관찰된다. [F ^18] FDG PET 이미징 로컬 GL의 변화를 평가하는 뇌졸중 환자에서 사용되고ucose 대사 ⁽²⁰⁾ 및 생체 내 동물 실험의 소수는 또한 대뇌 저산소 허혈 모델 ^(22)을 포함하여, [F ^18] FDG ^(21)를 사용했다. 재관류 모델을 이용하여 연구 개발 경색 후 ^23와 이러한 대사 변화의 상관 관계가 발견되지 않지만, 일반적으로,이 연구는, 허혈 영역 글루코스 활용을 감소 나타낸다. 이 비가 역적으로 손상을 코어 ^(21)와 연관되어 확산 변경 대조적이다. 이 손상의 진행과의 영향에 대해 의미있는 정보를 얻을 가능성 같이 따라서, 스트로크의 진화 동안 동시 방식 ^[18 F] FDG PET 및 DWI 유래의 상보적인 정보를 얻을 수있는 것이 중요하다 치료 적 개입. 우리는 여기에서 설명하는 방법은 PET 추적자 및 MRI 시퀀스의 다양한 사용하기 용이 의무이다. 예를 들어, ^[15 O] H ₂ O PETMRI에서 DWI 및 관류 강조 영상 (PWI)와 함께 촬상 더 스트로크 촬상 시야 내에서 현재의 기술을 허혈성 주변부의 개발을 모색하고 검증하기 위해 사용될 수있다.

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

프로토콜

모든 동물 처리 및 절차는 여기에 설명하고, 동물 연구에있어서 실험 동물 관리의 인증 평가 협회에 의해 승인 프로토콜에 따라 수행 된 생체 실험 (도착 도착) 가이드 라인에보고 (AAALAC) 국제 기관 동물 관리 공인 캘리포니아 데이비스 대학에서 사용위원회. 적절한 수술은 동물의 모든 통증이나 불편의 흔적을 초래할 것이 아니라, 적절한 단계는 이러한 징후가 안락사, 진통제 또는 일부의 경우 관리를 포함하여 관찰하는 경우주의해야한다. 동물의 오른쪽 설명 일방적 인 절차를 임의로 선택했다.

1. 일방적 경동맥 (CCA) 내고

1. 편리한 위치에 멸균 수술 도구 및 재료와 멸균 필드를 준비합니다. 확인 가열 패드는 패드 상에 안전하게 배치 온도계가 37 ℃로 가온된다. & #(160), 수술 부위를 커버하기 위해 무균 드레이프를 사용하십시오.
2. (0.5 L / 분에서 이소 플루 란, 공기 1-3 %), 동물을 마취하고, 꼬리가 떨어져 직면와 부정사 위치에 동물을 배치합니다. 발가락을 곤란하게하여 마취를 확인 - 동물이 제대로 마취 경우이 아무 반응을 이끌어 없습니다. 눈 안과 연고를 적용합니다.
3. 1-2 면봉을 사용하여 가슴 위쪽 영역에 더 낮은 목에 제모 크림을 적용합니다. 젖은 거즈 또는 알코올 면봉을 사용하여 머리와 크림을 제거 후 1-3 분을 기다린. 면봉 절개 내부에서 외부로 순환 방식으로 Betadine와 지역, 다음 무균 수술 장갑으로 변경합니다.
4. 수술 용 가위를 이용하여, 하부의 목의 정중선을 따라 약 1cm의 절개를. 조심스럽게 수술 가위를 사용하여 근막 주변에서 외피를 분리합니다.
5. 두 맥퍼슨 마이크로 홍채 봉합 집게를 사용하여, 손상 정맥 또는 distur을 피하기 위해주의하면서 근막에서 오른쪽 경동맥을 분리미주 신경을 빙.
6. 오른쪽에있는 집게를 사용하여, 안정적인 위치에 오른쪽 CCA를 외면 화하다. 건조를 방지하기 위해 식염수 몇 방울을 적용합니다. 이중 광장 매듭을 사용하여 6-0 실크 오른쪽 CCA 아래에 봉합 및 결찰의 적당한 길이 (2-3cm)를 전달합니다. 선택적으로, 다시 6-0 실크 봉합사를 이용하여 제 2 길이 결찰.
7. 바로 CCA를 옮기고 멸균 스폰지를 사용하여 열 수를 초과하는 액체를 청소 면봉을 냈습니다. 6-0 실크 봉합사와 절개를 닫습니다. 국소 7 ㎎ / ㎏까지 리도카인을 적용합니다.
8. 동물이 외래 (약 30 분)까지 마취에서 회복과 동물 이미징을위한 준비가 될 때까지 수술 후 모니터링을 수행 할 수 있습니다.

이미징 2. 준비 : 시스템 및 하드웨어를 확인

1. MRI 및 PET 시스템에 대한 하드웨어 및 소프트웨어를 설정하고 다음과 같이 자신의 기능을 확인합니다. 확인 모든 물리적 연결은 안전과 소프트웨어 설정을 적절하게 선택됩니다.
   1. PET 시스템은 공기 냉각 시스템을 사용하여 5 ℃의 소정의 작동 온도에 확인.
   2. 알려진 축 오프셋을 사용하여 볼 (FOV) 센터의 PET와 MRI 필드를 정렬 MRI 보어 내부 마운트 PET 시스템. PET 계의 보어 내부 MRI 코일 마운트 PET 시스템 및 MRI 자석과 코일 센터 중앙.
   3. 전력 및 바이어스 전압에 대한 PET 전자 켭니다 (참고 : 단계는 기기​​에 따라 다릅니다). ⁶⁸ 창 실린더를 사용하여 빠른 (5 분) 검사를 수행하고 모든 감지기가 작동하기 위해 결과 노 그램을 확인합니다.
   4. 선택적으로, 동시 등록 상업적 PET / MRI 변환 행렬에 사용되는 데이터를 취득 ¹⁸ F 수용액 200 μCi를 가진 입체 팬텀 (예, 세 가득 분야)를 채우고 PET와 15 분 동안 획득. 해부학 MRI 데이터를 획득 : 스캔 제어 창에서 다 에코 (MSME) 순서 멀티 슬라이스를 선택 (표 1 참조 ). 세 가지 주요 방향에 대해 반복 : 축, 시상 및 관상.
2. 주입 펌프 설정 및 작동 상태를 확인한다. 일정한 주입의 45 분에 200 μL, 20g의 동물에 정맥 주사의 일반적인 권장되는 제한의 총 부피를 제공 분당 4.44 μL에 펌프를 설정합니다.
3. 히터 작동을 확인하고 온도 출력이 동물의 따뜻한 (37 ° C)를 유지하기에 충분 있는지 확인합니다. 온도와 호흡 모니터링 동물 침대에 동물의 배치를위한 준비 작동하는지 확인합니다.
4. (0.5 L / 분 : O ₂ 57.2 밀리그램 / 분, 0.575 g / 분에서 N _2에서) O _2, N ₂ 유량계의 작동을 확인 압축 공기 오프 소스와 O _2, N ₂ 모두에 전원을 공급하여 에 소스. 유량계를 손상의 위험을 방지하기 위해, 충분한 입력 압력없이 전원을 켜십시오하지 않습니다.
5. 그 이소 플루 란의 V 확인aporizer 충분히 채워집니다. 촬상 전에, ~ 2 % 이소 플루 란으로 마취 흐름을 시작하고, 0.5 내지 1 L / 분.
6. 마취, 호흡 패드, 및 히터 시스템은 안전하고 기능적인 위치하도록함으로써 동물 침대를 준비합니다. 추가 PET / MRI 공동 등록의 정확성은, 기준 마커 (예를 들어, 이미징 주입 것과 유사한 농도에서 방사성 추적자로 채워진 모세관 튜브)의 시야 내에서 동물의 침대에 부착 될 수있다.

3. 이미징 워크 플로우

모든 필요한 장비 검사가 완료된 후, 다음과 같이 촬상 진행 :

1. 이소 플루 란 동물을 마취하고 (10 ㎖ 식염수, 0.5 ml의 헤파린, 1000 USP / ㎖), 헤파린 염수로 채워진 꼬리 정맥 카테터 (28 G 바늘, PE-10 미만 5cm 튜빙) 삽입한다. 동물을 가온 및 / 또는 꼬리 것은 카테터 삽입 정확성을 향상시킬 수있다. 임의로 삽입 위치에 시아 노 아크릴 레이트 접착제의 드롭을 배치IV 라인을 고정합니다.
2. 준비된 동물 침대에 동물을 전송합니다. 사용하는 경우 위 앞니가 장소에 치아 바, 귀 막대로 확보와 동물의 머리가 고정되었는지 확인합니다.
3. 건조를 방지하기 위해 눈 안과 연고를 적용합니다. 직장 프로브 온도계를 삽입합니다. 온도를 확인하고 호흡 판독 기능입니다.
4. 약 3 PE-10 튜브에 대한 M 200 μL의 볼륨 - 추적자 용량을 그리기 (200 μL에 600 μCi를 중심으로) 적당한 길이의 헤파린 PE-10 튜브에 주입한다. 튜브에 펑크를 만들 않도록주의하면서, 주입 펌프 주사기이 튜브, 및 꼬리 정맥 카테터 라인에 다른 한쪽 끝을 연결합니다.
5. 확인 MRI 코일의 위치와 어떤 선이나 케이블, 특히 마취 튜브를 방해하지 만드는 자석의 구멍에 앞으로 동물 침대를 밀어 넣습니다. 뇌의 중심이 M의 중심에 정렬되어 있는지 확인합니다RI 코일, PET 시스템 및 MRI 자석.
6. 고전력 프리 앰프의 디스플레이를 관찰함으로써 임피던스 (코일 사양을 확인) 및 주파수 부정합 (7 테슬라에서 ¹ 시간 동안 300 메가 헤르츠)을 최소화 코일에 조정 손잡이를 회전시킴으로써 MRI 코일의 동조 및 정합을 수행한다.
7. 튜닝 및 매칭 후 (MRI), 스카우트 이미지를 취득 : 희귀 tripilot 시퀀스를 선택하고 스캔 제어 창에서 순서를 실행합니다. 단계 3.5 및 3.6 필요한 반복, 동물의 위치를​​ 확인합니다. 제로 값으로 심을 재설정합니다.
8. (MRI) 뇌 내에서 볼륨 지역화, 포인트 해결 분광 스캔 (보도를) 획득 : 치수 3.9 mm × 6mm × 9 mm의 직사각형 볼륨에서 기자 순서를 (표 1 참조)를 실행합니다. CalcLineWidth 매크로 명령을 사용하여 물 라인 폭을 확인합니다. 반 최대 (FWHM) 값의 전체 폭이 허용되는 경우 (예를 들어, 0.2 PPM), 3.10 단계로 진행합니다. 그렇지 않은 경우, 3 단계로 진행합니다.9.
9. (MRI) 필드 맵을 획득 : FieldMap 서열 (표 1 참조)를 실행. MAPSHIM 매크로 명령을 실행하고 선형 및 제 순서 (Z ²⁾ 로컬 조정을 선택하여 다각도 투영 심 (MAPSHIM)에 대한 결과 데이터를 사용한다. 단계를 반복 3.8.
10. (MRI) 음주 운전으로 스캔 (표 1 참조)에 대한 슬라이스 계획 배치 : 형상 편집기를 사용하여, 획득 FOV는 뇌 내에서 관심의 원하는 볼륨을 획득 배치되어 있는지 확인합니다. 원하는대로 결과 슬라이스 계획이 정렬되면, 이후의 모든 음주 운전 검사에 대한 검사 관리 창에서이 슬라이스 계획을 복사합니다. 획득을 시작합니다.
11. 애완 동물 인수 (PET)를 시작 주입 펌프를 시작하고 준비 준비했다. 카테터로부터 식염수 주입되어있는 소정의 지연 후에, 방사성 트레이서의 엔트리를 캡처하기 위해 PET 획득 (표 1 참조)를 시작한다. 카운트 속도를 모니터링하고 점진적인 증가를 보일성공적인 주사를 나타내는 카운트에서.
12. 10 ~ 15 분 후, 단계 3.12와 저산소 도전 동시을 시작합니다. , 저산소 도전을 시작 8 %의 산소와 92 %의 질소를 제공하는 소정의 설정으로 O _2, N ₂ 유량계에 의료 공기 흐름 즉시 전원을 끄고, 0.8 %로 이소 플루 란을 줄일 수 있습니다. 입력 압력없이 유량계에 전원을 켜지 마십시오합니다.
13. 단계 3.12 동시에 (MRI)이, 3.10 단계에서 제조 DWI 수집을 시작 ( "H1"을 스캔).
14. (MRI) 스캔 (H1)가 완료된 직후, 단계 3.10에서 제조, 음주 운전으로 인수 ( "H2"를 스캔) 시작합니다. , 유량계의 전원을 끄기 의료 공기 흐름을 복원 및 생리 학적 모니터링을 기반으로 적절한 값으로 이소 플루 란 농도를 반환하여 저산소 도전을 종료합니다.
15. (MRI) 후 저산소증의 음주 운전 단계 3.10에서 제조 스캔 획득. 이 검사가 완료된 후 주입 펌프의 전원을 끄십시오.
16. (MRI) 획득 아낫축과 시상면에서 omical 이미지. 스캔 제어 창에서 - MSME 순서를 (표 1 참조)을 선택합니다. 형상 편집기를 사용하여 획득 FOV가 뇌를 다루고 있는지 확인합니다.
17. 보조 방법으로 자궁 경부 전위 다음 CO _2의 관리에 경우 필요한 안락사, 동물을 제거 케이지 때 외래로 돌아가 이환율의 징후를 모니터링 할 수 있습니다.

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

결과

도 1은 6-0 실크 봉합사로 상처를 폐쇄하기 전에 경동맥의 결찰 적정의 결과를 보여준다.

이 방법에서는 영상에서 얻은 데이터는 다시 지시하고 또한 이미지 수집 체계 및 장비 설치를 포함하여 실험의 한계에 의해 결정됩니다 실험의 시간 배열에 따라 크게 좌우된다. 이들 및 다른 고려 사항은 상기 논의 부 탐구된다. 여기에 기술 된 프로토콜로, 장비 (그?...

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

토론

동시 해부학 MRI, 동적 DWI-MRI 및 ^[18 F] FDG PET 데이터가 성공적으로 경동맥 결찰 다음 저산소 도전하는 동안 실험 동물로부터 획득했다. 이는 뇌 허혈 욕설과 관련된 급변 병태 생리 조영을위한 강력한 실험 패러다임을 나타내고 용이하게 다른 PET 용 및 MRI 시퀀스 (신경 염증의 예시적인 마커) 방사성 트레이서뿐만 아니라 중재 전략의 효과를 연구하기 위해 확장 될 수있다 중 또는 직후 허혈?...

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

자료

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)