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여기에서는 쥐의 뇌 미세혈관 구조를 이미지화하기 위해 12.5μm 공간 해상도를 달성하는 초음파 국소화 현미경(ULM)을 위한 프로토콜에 대해 설명합니다. 이를 통해 혈류의 방향과 속도를 자세히 시각화할 수 있어 대뇌 순환 및 혈관 질환에 대한 연구를 발전시킬 수 있는 강력한 도구를 제공합니다.
대뇌 미세혈관 구조는 뇌 기능을 유지하는 데 필수적인 복잡한 혈관 네트워크를 형성합니다. 뇌졸중, 알츠하이머병, 신경교종, 혈관성 치매와 같은 질병은 미세혈관계에 심각한 장애를 일으킬 수 있습니다. 불행히도 현재의 의료 영상 방식은 이 규모에서 간접 관찰만 제공합니다. 광학 현미경에서 영감을 받은 초음파 국소화 현미경(ULM)은 침투 깊이와 공간 해상도 사이의 고전적인 균형을 극복합니다. 서브 파장 정밀도로 주입된 개별 마이크로버블(MB)을 현지화하고 추적함으로써 마이크로미터 규모에서 혈관 및 속도 맵을 생성할 수 있습니다. 여기에서는 상업용 초음파 플랫폼을 사용하여 쥐의 생체 내에서 뇌 미세혈관 구조의 초고해상도 이미징을 위한 강력한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법은 12.5μm의 공간 해상도를 달성하여 미세혈관 구조를 재구성하고 혈류 방향 및 속도에 대한 자세한 정보를 제공하여 대뇌 미세순환에 대한 이해를 크게 향상시킵니다. 이 프로토콜은 쥐 질병 모델로 확장될 수 있으며, 신경 혈관 질환의 조기 진단 및 치료를 위한 강력한 도구를 제공합니다.
모세혈관, 세동맥, 정맥으로 구성된 대뇌 미세혈관 구조는 영양분 전달, 산소 교환 및 노폐물 제거를 촉진하여 뇌 기능을 유지하는 데 필수적입니다 1,2. 이 네트워크의 붕괴는 뇌졸중3, 알츠하이머병4, 신경교종5, 혈관성 치매6와 같은 신경 장애와 관련이 있으며, 이는 뇌 생리학적 장애로 이어집니다. 미세혈관 변화는 임상 증상이 나타나기 전에 나타나는 경우가 많기 때문에 진단 및 치료 개입의 중요한 표적이 된다 7,8. 구조적 및 기능적 수준 모두에서 혈관 변화에 대한 포괄적인 이해는 연구 및 치료 전략을 발전시키는 데 중요합니다.
그러나 대뇌 미세혈관 구조를 영상화하는 것은 크기가 작고 뇌 내 부분적으로 깊은 위치로 인해 특히 어렵습니다. 자기공명영상(MRI)9 및 컴퓨터 단층촬영(CT)10과 같은 기존의 이미징 방식은 대규모 혈관 변화를 포착하는 데는 적합하지만 작은 혈관을 시각화하기에는 너무 거친 공간 해상도(~100μm)를 제공합니다. 이광자 현미경11 과 같은 광학 방법은 개별 모세혈관을 이미지화하는 데 뛰어난 공간 해상도(최소 1μm)를 제공하지만 제한된 시야와 침투 깊이(1mm 미만)로 인해 방해를 받아 뇌 심부 영역을 이미지화하는 능력이 제한됩니다. 초음파 기반 기술인 Doppler12는 실시간 혈류 평가를 제공하지만 50-200μm의 해상도로 제한되어 있어 미세혈관 세부 사항을 파악하기에는 충분하지 않습니다. 전반적으로, 현재 대뇌 미세혈관 이미징에 필요한 높은 공간 해상도와 충분한 뇌 침투라는 이중 요구 사항을 충족하는 단일 방법은 없습니다.
광학 현미경13,14에서 영감을 받은 초음파 국소화 현미경(ULM)은 개별 주입된 미세기포(MB)를 찾고 하위 파장 해상도15로 변위를 추적하여 미크론 규모에서 미세 구조를 시각화할 수 있습니다. 이는 초음파 영상에서 투과율과 해상도 사이의 고전적인 절충안을 우회합니다16. 이 연구는 살아있는 쥐 모델에서 ULM을 구현하고 상업적으로 이용 가능한 초음파 플랫폼을 통해 뇌 미세혈관 구조의 초고해상도 이미징을 가능하게 하는 강력한 프로토콜에 대해 자세히 설명합니다. 이 프로토콜은 미세혈관 구조의 포괄적인 재구성을 제공할 뿐만 아니라 기존의 이미징 기술로는 불가능한 혈류의 방향과 속도에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 이 프로토콜은 정상 쥐에서 검증되었지만 쥐 질병 모델로 확장할 수 있어 다양한 병리학적 조건에서 맞춤형 연구의 가능성을 제공합니다.
본 연구에서 수행된 모든 동물실험은 푸단대학교 윤리위원회의 승인을 받았습니다(승인번호: 2022JS-004). 이 프로토콜은 동물에 대한 인도적인 대우를 보장하기 위해 푸단 대학교의 동물 관리 지침을 엄격히 준수합니다. 실험을 시작하기 전에 쥐에게 환경 순응을 위한 1주일의 기간을 허용해야 하며, 이 기간 동안 충분한 사료와 물을 제공해야 합니다. 광주기는 정상적인 생리적 상태를 유지하기 위해 생체 리듬에 따라 신중하게 조절됩니다. 실험이 끝나면 흡입된 이소플루란을 과다 투여하여 안락사를 수행합니다.
알림: 실험 설정은 그림 1A-H에 나와 있습니다.
1. ULM 이미징을 위한 동물 준비
2. 데이터 수집 전 설정
3. 데이터 수집 (타이밍 ~ 20분)
참고: Verasonics(초음파 시스템)는 Vantage 시스템과 함께 사용할 수 있는 원본 MATLAB 스크립트를 제공하며 수정되지 않았습니다.
4. 데이터 처리 및 분석 (타이밍 ~ 8 시간)
그림 1은 쥐의 생체 내 뇌 미세혈관 ULM 이미징을 위한 세부 설정을 보여주며, 각 요소는 실험적 변동성을 최소화하고 신뢰할 수 있는 초고해상도 이미징 결과를 위해 정확한 데이터 수집을 보장하도록 신중하게 설계되었습니다.
그림 2A 는 쥐의 뇌에서 미세혈관 구조의 ULM으로 재구성한 구조를 보여?...
이 프로토콜은 ULM을 성공적으로 활용하여 생체 내 쥐의 뇌 미세혈관 구조의 초고해상도 이미징을 수행했습니다. 다른 이미징 방식과 비교했을 때, ULM은 공간 해상도와 침투 깊이를 동시에 수용합니다. 노출된 쥐의 뇌는 두개골을 통해서가 아니라 영상화되어 뼈의 존재로 인한 감쇠와 왜곡을 피했습니다. 중심 주파수가 15.625MHz인 트랜스듀서 아래에서 최대 12.5μm의 공간 ?...
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이 연구는 보조금 2023YFC2410903에 따른 중국 국가 핵심 연구 개발 프로그램, 중국 국립 자연 과학 재단(보조금 12274092, 12034005), 상하이 탐험가 프로그램(보조금 21TS1400200), 상하이 국제 과학 기술 협력 프로그램(보조금 24490710400) 및 푸단대학교 AI 과학 재단(보조금 FudanX24AI016)의 일부 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alcohol | DICHANG | https://www.dehsm.com/goods-17187.html | 75% |
Beamforming program | Institute of Biomedical Engineering at the University of Montreal | Matlab Ultrasound Toolbox 3.4 version | |
Body temperature maintenance device | RWD Life Science Co., Ltd. | 69026 | |
Brain stereotaxic instrument | RWD Life Science Co., Ltd. | 71000-R | Adaptable to breathing mask |
Cranial Microinjection Surgical Instrument Kit | RWD Life Science Co., Ltd. | SP0005-R | |
Digital microscope | RWD Life Science Co., Ltd. | DOM-1001 | |
Drug delivery catheter | RWD Life Science Co., Ltd. | https://www.rwdls.com/product-solutions/life-sciences/administration/draw-blood | |
Erythromycin ointment | Renhe Pharma | H36020018 | 1% x 15 g |
Gas anesthesia machine | RWD Life Science Co., Ltd. | R500IE | Includes breathing mask |
Handheld electric clipper | GUAZHOUMU | MJD-DTJ02 | |
Handheld mini cranial drill | RWD Life Science Co., Ltd. | 78001 | |
Indwelling needle | Kindly EnterpriseDevelopment Group Co., LTD | Positive Pressure Model | 26 G |
Iodine solution | HYNAUT | https://www.hainuocn.com/index/detail/524.html | 4.5–5.5 g/L |
IQ demodulation program | Institute of Biomedical Engineering at the University of Montreal | Matlab Ultrasound Toolbox 3.4 version | |
Isoflurane | RWD Life Science Co., Ltd. | R510-22-10 | |
MATLAB software | MathWorks | Version R2021a | |
Microinjection pump | RWD Life Science Co., Ltd. | R462 | |
Sodium chloride injection | SHENG'AO animals pharmaceutical Co., Ltd. | 270071460 | 0.90% |
SonoVue | Bracco | https://www.bracco.com/en-se/product/sonovue | |
Spherical drill bit | RWD Life Science Co., Ltd. | HM1027/HM1010 | |
Supporting Positioning Software | RWD Life Science Co., Ltd. | V2.0.0.30400 | |
Syringe | Kindly EnterpriseDevelopment Group Co., Ltd. | RWLB | 1 mL |
Tracking program | Jean-Yves Tinevez | 2016 version | |
Ultrasound gel | Junkang Medical Equipment Co., Ltd. | Model DS-1 | |
Ultrasound probe | VERASONICS, INC. | L22-14vX LF | |
Verasonics Ultrasound System | VERASONICS, INC. | Vantage-256 | ultrasound platform |
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