허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT)

요약

이 작업은 허혈성 뇌졸중의 비침습적 이미징을 위한 다중 모드 초음파 기반 이미징 플랫폼의 사용을 보여줍니다. 이 시스템은 광음향 영상을 통한 혈액 산소화의 정량화와 음향 혈관 조영술을 통한 뇌의 관류 장애를 허용합니다.

초록

여기에 제시된 것은 광음향, 초음파 및 혈관 조영 단층 촬영(PAUSAT)의 세 가지 음향 기반 영상 기술을 통합하는 새로 개발된 비침습적 영상 시스템을 사용한 실험적 허혈성 뇌졸중 연구입니다. 이 세 가지 양식을 결합하면 뇌의 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영(PAT), 혈액 산소화, 뇌 조직의 고주파 초음파 영상 및 대뇌 혈액 관류의 음향 혈관 조영술을 획득하는 데 도움이 됩니다. 다중 모드 이미징 플랫폼을 사용하면 뇌졸중 후 전체 마우스 뇌의 대뇌 관류 및 산소 공급 변화를 연구할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 허혈성 뇌졸중 모델인 영구 중대뇌동맥 폐색(pMCAO) 모델과 광혈전(PT) 모델을 평가했습니다. PAUSAT는 뇌졸중 전후의 동일한 마우스 뇌를 이미지화하고 두 뇌졸중 모델을 정량적으로 분석하는 데 사용되었습니다. 이 이미징 시스템은 손상되지 않은 조직(반대측)에 비해 뇌졸중 경색 영역(동측)에서 현저히 감소된 혈액 관류 및 산소 공급을 포함하여 허혈성 뇌졸중 후 뇌 혈관 변화를 명확하게 보여줄 수 있었습니다. 결과는 레이저 스페클 조영 이미징과 트리페닐테트라졸륨 클로라이드(TTC) 염색으로 확인되었습니다. 또한, 두 뇌졸중 모델 모두에서 뇌졸중 경색 부피를 측정하고 TTC 염색에 의해 실측 자료로 검증했습니다. 이 연구를 통해 우리는 PAUSAT가 허혈성 뇌졸중의 비침습적 및 종단적 전임상 연구에서 강력한 도구가 될 수 있음을 입증했습니다.

서문

혈액은 산소(헤모글로빈 단백질을 통해)와 기타 중요한 영양소를 우리 몸의 조직으로 운반합니다. 조직을 통한 혈액의 흐름이 중단되면 (허혈), 조직에 심각한 손상이 발생할 수 있으며, 그 중 가장 즉각적인 영향은 산소 부족 (저산소증)으로 인한 것입니다. 허혈성 뇌졸중은 뇌의 특정 영역으로의 혈류가 중단 된 결과입니다. 허혈성 뇌졸중으로 인한 뇌 손상은 혈관이 막힌 후 몇 분 이내에 발생할 수 있으며 종종 쇠약하고 지속적인 영향을 미칠 수 있습니다 ^1,2. 허혈성 뇌졸중 후 생리병리를 평가하고 새로운 치료법을 확인 및 테스트하기 위한 매우 가치 있는 전략은 실험실에서 소동물 모델을 사용하는 것입니다. 실험실에서 발견된 치료법은 임상용으로 전환되어 환자의 삶을 개선하는 것을 목표로 합니다. 그러나 생물의학 연구에서 동물의 사용은 Russell과 Burch의 3R 원칙(대체, 감소 및 정제)에 따라 신중하게 평가되어야 합니다.³. 감소 구성 요소의 목적은 데이터 수집을 손상시키지 않으면서 동물 수를 줄이는 것입니다. 이를 염두에 두고, 비침습적 영상을 통해 병변의 진화를 종단적으로 평가할 수 있다는 것은 필요한 동물의 수를 줄이는 데 ....

프로토콜

모든 동물 시술은 듀크 대학 의료 센터 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았으며 미국 공중 보건국의 실험실 동물의 인도적 관리 및 사용에 관한 정책에 따라 수행되었습니다. 수컷 및 암컷 C57BL/6J 마우스( 재료 표 참조)를 이 연구에 사용했습니다. 뇌졸중 모델 그룹당 최소 3마리의 동물을 영상화했습니다. 이 프로토콜에서 따르는 워크플로에 대해서는 그림 2 를 참조하십시오.

그림 2: 뇌졸중에 적용된 PAUSAT 영상의 실험 절차 요약. Biorender.com 로 제작되었습니다. 그림은 (A) 두 가지 주요 스트로크 모델(pMCAO 및 PT 스트로크)에서 시작하는 이미징 절차의 워크플로를 보여줍니다. (B) 동물을 ....

토론

이 방법에는 잘못 수행할 경우 이미지 품질과 정량 분석이 크게 저하될 수 있는 몇 가지 중요한 측면이 있습니다. PAUSAT 이미지에서 사용자 오류의 가장 일반적으로 발생하는 결과는 신호 부족 또는 매우 낮은 신호 강도이며, 둘 다 다양한 이유로 발생할 수 있습니다. 그러한 이유 중 하나는 음향 커플 링의 문제입니다. 이미징 중 마우스 머리를 둘러싼 물의 큰 기포는 종종 초음파가 변환기로 이동?.......

자료

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)