Simultânea de imagem PET / MRI Durante Rato isquemia-hipoxia cerebral

Resumo

O método aqui apresentado utiliza a tomografia por emissão de pósitrons simultânea e ressonância magnética. No modelo de hipoxia-isquemia cerebral, alterações dinâmicas no metabolismo de glicose e de difusão ocorrem durante e após a lesão. O dano em evolução e irreproduzível neste modelo exige aquisição simultânea, se dados de imagens multi-modais significativas devem ser adquiridos.

Resumo

Mudanças dinâmicas na difusão de água dos tecidos e metabolismo da glicose ocorrem durante e após hipóxia em isquemia-hipoxia cerebral refletindo uma perturbação bioenergética em células afetadas. Difusão ponderada ressonância magnética (MRI) identifica regiões que estão danificados, potencialmente irreversível, por hipóxia-isquemia. Alterações na utilização da glucose no tecido afectado podem ser detectados por tomografia de emissão de positrões (PET) de 2-desoxi-2- ⁽¹⁸ F) fluoro-ᴅ-glucose ^([18F] FDG) absorção. Devido à natureza variável e rápida de lesões neste modelo animal, a aquisição de ambos os modos de dados devem ser realizadas simultaneamente, a fim de correlacionar dados significativamente PET e MRI. Além disso, a variabilidade inter-animal na lesão hipóxico-isquêmica devido a diferenças vasculares limita a capacidade de analisar dados multi-modais e observar as mudanças para uma abordagem de grupo sábio se os dados não são adquiridos em simultâneo em sujeitos individuais. O método pressentido aqui permite adquirir tanto DIFUSÃO e ^[18F] FDG dados no mesmo animal, antes, durante e após a provocação hipóxica, de modo a interrogar alterações fisiológicas imediatas.

Introdução

Em todo o mundo, acidente vascular cerebral é a segunda principal causa de morte e a principal causa de incapacidade ^1. A cascata de eventos bioquímicos e fisiológicos que ocorrem durante e agudamente após um evento derrame ocorre rapidamente e com implicações para a viabilidade do tecido e, finalmente, ² resultado. Hipoxia-isquemia cerebral (HI), o que leva a EHI (HIE), estima-se que afecta até 0,3% e 4% do total prazo e nascimentos prematuros ^3,4, respectivamente. A taxa de mortalidade em lactentes com EHI é de aproximadamente 15% a 20%. Em 25% dos sobreviventes de HIE, complicações permanentes surgem como um resultado da lesão, incluindo o atraso mental, os défices motores, paralisia cerebral, epilepsia e ^3,4. Intervenções terapêuticas passadas não têm provado digna de adoção como padrão de atendimento, e consenso ainda tem de ser alcançado que os métodos mais avançados, com base em hipotermia, são efetivamente reduzir a morbidade ^3,5. Outras questões Of contenção incluem método de administração de hipotermia e paciente selecção ^6. Assim, as estratégias de neuroproteção e neurorestoration ainda são uma área fértil para a investigação ^7.

Modelos de rato de HI cerebral têm estado disponíveis desde os anos 1960, e, subsequentemente, foram adaptados aos ratos ^8,9. Devido à natureza do modelo e a localização da ligação, existe uma variabilidade inerente no resultado devido à diferença em fluxo colateral entre ¹⁰ animais. Como resultado, estes modelos tendem a ser mais variável em relação aos modelos similares, tais como a oclusão da artéria cerebral média (MCAo). Medição de tempo real de alterações fisiológicas tem sido demonstrada com fluxometria de Doppler por laser, bem como ressonância magnética ponderadas-difusão ^11. A variabilidade intra-arterial em animais observou fluxo cerebral durante e imediatamente após hipoxia, bem como em resultados agudos, tais como o volume de enfarte e neurológicadéfice, sugerem que a aquisição simultânea e correlação de dados multimodais seria benéfico.

Os recentes avanços na tomografia simultânea emissão de pósitrons (PET) e ressonância magnética (RM) têm permitido novas possibilidades em imagens pré-clínicas ^12-14. As vantagens potenciais de tais sistemas híbridos, combinados para aplicações pré-clínicos têm sido descritos na literatura ^15,16. Embora muitas perguntas pré-clínicos podem ser abordadas pela imagem de uma seqüência animal individual ou por imagem grupos de animais separadas, determinadas situações - por exemplo, quando cada instância de um evento como acidente vascular cerebral se manifesta de forma única, com rápida evolução fisiopatologia - torná-lo desejável e até necessário para usar a medição simultânea. Neuroimagens funcional proporciona um exemplo, onde simultânea 2-desoxi-2- ⁽¹⁸ F) fluoro-ᴅ-glucose ^([18F] FDG) PET e Blood-nível de oxigênio dependente (BOLD) MRI foi recentemente demonstrado na estimulação whisker rato estuda ^14.

Aqui, nós demonstramos simultânea de imagem PET / MRI durante o início de um acidente vascular cerebral hipóxico-isquêmica em que a fisiologia do cérebro não está em estado de equilíbrio, mas em vez disso é rapidamente e de forma irreversível a mudança durante desafio hipóxico. Mudanças na difusão da água, medida pela ressonância magnética e quantificados pelo coeficiente de difusão aparente (ADC) derivada de imagem ponderada em difusão (DWI), foi bem caracterizada de acidente vascular cerebral em dados clínicos e pré ^17,18. Em modelos animais, tais como MCAo, a difusão de água no tecido cerebral afectado cai rapidamente devido à bioenergética cascata que conduz ao edema citotóxico ^18. Estas alterações agudas na ADC também são observados em modelos de roedores de isquemia-hipoxia cerebral ^{11,19. [18F]} FDG PET de imagem foi usada em pacientes com AVC para avaliar mudanças na gl locaismetabolismo ucose ^{20, e} um pequeno número de estudos in vivo em animais também têm utilizado ^[18F] FDG ^21, incluindo no modelo de isquemia-hipoxia cerebral ^22. Em geral, estes estudos mostram diminuição da utilização da glucose nas regiões isquémicas, embora um estudo utilizando um modelo com reperfusão encontrada nenhuma correlação dessas alterações metabólicas com enfarte do desenvolvimento posterior ^23. Isto está em contraste com as alterações de difusão que têm sido associados com o núcleo ²¹ irreversivelmente danificadas. Assim, é importante ser capaz de obter a informação complementar derivada de ^[18F] FDG e DWI de uma forma simultânea ao longo da evolução de acidente vascular cerebral, como este é susceptível de produzir uma informação significativa sobre a progressão da lesão e o impacto de intervenções terapêuticas. O método aqui descrito é prontamente susceptível de utilizar com uma variedade de marcadores de PET e sequências de ressonância magnética. Por exemplo, ^[15O] _H2O PETimagem junto com DWI e imagens ponderadas em perfusão (PWI) de ressonância magnética pode ser usado para explorar ainda mais o desenvolvimento da penumbra isquêmica e validar técnicas atuais dentro do campo de imagem acidente vascular cerebral.

Protocolo

Todo o manuseio e procedimentos de animais aqui descrito, e de acordo com a Pesquisa Animal: Relatórios experimentos in vivo (chegar) diretrizes, foram realizados de acordo com protocolos aprovados pela Associação de Avaliação de Acreditação do Laboratório Animal Care (AAALAC) Internacional credenciados Animal Care Institucional e Use Committee da Universidade da Califórnia, Davis. Cirurgia adequada não deve resultar em sinais de qualquer dor ou desconforto no animal, mas medidas adequadas devem ser tomadas se tais sinais são observados, incluindo a administração de analgésicos ou em alguns casos, a eutanásia. O lado direito dos animais foi escolhido arbitrariamente para o procedimento descrito unilateral.

1. Unilateral Carótida Comum (CCA) Ligation

1. Prepare campo estéril com ferramentas e materiais cirúrgicos esterilizados posicionados convenientemente. Assegurar almofada de aquecimento é aquecida a 37 ° C com sonda de temperatura colocado de forma segura sobre a almofada. & #160; Certifique-se de usar uma cortina estéril para cobrir o local da cirurgia.
2. Anestesiar animais (isoflurano, 1-3% em ar a 0,5-1 l / min), e colocar animais em decúbito dorsal com o rabo de costas. Verifique anesthetization por beliscar a ponta - isso deve provocar nenhuma reação se o animal está devidamente anestesiados. Aplicar pomada oftálmica para os olhos.
3. Aplicar creme de depilação a parte inferior do pescoço para a área superior do tórax usando 1-2 cotonetes. Espere 1-3 minutos e, em seguida, remover o cabelo e creme usando molhadas gaze ou cotonetes álcool. Área Swab incisão com Betadine de forma circular de dentro para fora, e, em seguida, transformar-se em luvas cirúrgicas estéreis.
4. Usando uma tesoura cirúrgica, fazer uma incisão de cerca de um centímetro ao longo da linha média da parte inferior do pescoço. Separe cuidadosamente pele exterior da fáscia circundante usando uma tesoura cirúrgica.
5. Usando dois fórceps McPherson micro íris de sutura, separar a artéria carótida comum direita da fáscia, tomando cuidado para evitar danificar veias ou disturbing do nervo vago.
6. Usando a pinça na direita, exteriorizar o CCA direita em uma posição estável. Aplique algumas gotas de soro fisiológico para evitar a secagem. Passe um comprimento adequado (2-3 cm) de seda 6-0 sutura debaixo do CCA direita, e ligar usando um nó quadrado duplo. Opcionalmente, ligar novamente usando um segundo comprimento de sutura de seda 6-0.
7. Reposicionar CCA direita e limpe o excesso de fluido de abrir com uma esponja estéril derrubado do cotonete. Feche a incisão com sutura de seda 6-0. Aplicar topicamente lidocaína até 7 mg / kg.
8. Permitir ao animal recuperar da anestesia até ambulatorial (aproximadamente 30 min) e realizar o monitoramento pós-cirúrgico até animal está pronto para a imagem latente.

2. Preparação para a Criação de Imagens: Sistema e Hardware Checks

1. Configurar o hardware e software para os sistemas de ressonância magnética e PET e verificar sua funcionalidade como se segue. Assegurar que todas as conexões físicas são seguras e configurações de software são devidamente selecionados.
   1. Assegurar o sistema de PET é a temperatura de funcionamento prescrito de 5 ° C utilizando o sistema de arrefecimento de ar.
   2. Sistema de montagem PET dentro do furo MRI, alinhando o campo de visão (FOV) centros que utilizam conhecidos offsets axiais PET e MRI. Montar a bobina de ressonância magnética no interior do furo do sistema de PET e o centro da bobina com o sistema de PET e centros magnéticos de ressonância magnética.
   3. Ligue eletrônica PET para energia e tensão de polarização (Nota: etapas irão variar por instrumento). Executar uma rápida (5 min) verificação, utilizando um cilindro de ⁶⁸ Ge e verificar o sinogram resultante para garantir que todos os detectores estão operacionais.
   4. Opcionalmente adquirir dados a serem utilizados para uma matriz de transformação de PET / MRI para fins de co-registo: Encha um fantasma tridimensional (por exemplo, três esferas cheias) com 200 uCi ^de 18 de solução aquosa F e adquirir por 15 min com PET. Adquirir dados anatômico MRI: na Janela de Controle de Digitalização, selecione o multi-slice (MPME) seqüência de eco multi (ver Tabela 1 ). Repita o procedimento para todos os três principais orientações: axial, sagital e coronal.
2. Verifique as configurações de bomba de infusão e operação. Definir a bomba para 4,44 mL por minuto, o que em 45 min de infusão constante proporciona um volume total de 200 ul, o limite típico recomendado para a injecção iv em 20 g de um animal.
3. Controlar o funcionamento do aquecedor e confirmar que a saída de temperatura é suficiente para manter o animal aquecido (37 ° C). Verifique se a temperatura e monitorização respiratória está operacional em preparação para a colocação do animal na cama animal.
4. Verifique a operação de _O 2 e N ₂ medidores de fluxo (para 0,5 L / min: _O 2 a 57,2 mg / min e _N 2 a 0,575 g / min), ao ligar tanto com a fonte de ar comprimido desligado e _O2 e _N2 fontes diante. Para evitar o risco de danificar os medidores de vazão, não ligá-los sem pressão de entrada suficiente.
5. Certifique-se de que o isoflurano vaporizer é suficientemente cheio. Antes da imagiologia, iniciar o fluxo anestesia com isoflurano a 1-2% e 0,5 a 1 L / min.
6. Prepare a cama dos animais, garantindo que as anestesia, almofada respiratória, e sistemas de aquecimento são posicionados de forma segura e funcional. Para uma precisão adicional co-registo de PET / MRI, marcadores fiduciais (por exemplo, tubos capilares preenchidos com marcador radioactivo em uma concentração similar como injectado para imagiologia) pode ser ligado à cama de animais dentro do campo de visão.

3. fluxo de trabalho de imagem

Após todas as verificações de equipamentos necessários são concluídos, prossiga para a imagem da seguinte forma:

1. Anestesiar os animais com isoflurano e inserir cateter na veia da cauda (28 g de agulhas, tubagem PE-10 inferior a 5 cm), cheio com soro fisiológico heparinizado (0,5 mL de heparina, 1000 USP / ml, em 10 ml de solução salina). O aquecimento do animal e / ou cauda pode melhorar a precisão da inserção do cateter. Opcionalmente, colocar uma gota de adesivo de cianoacrilato sobre o local de inserçãopara prender o sistema de administração IV.
2. Transferir o animal para a cama de animais preparados. Certifique-se de que a cabeça do animal é seguro, com incisivos superiores com a garantia das barras e barras de ouvido dente no lugar, se está sendo usado.
3. Aplicar pomada oftálmica para os olhos para evitar a secagem. Insira termômetro sonda retal. Certifique-se de que a temperatura e leituras de respiração são funcionais.
4. Desenhar a dose do radiofármaco (cerca de 600 uCi em 200 ul) a ser injectada em heparinizado tubagem PE-10 de comprimento adequado - de aproximadamente 3 m de tubo de PE-10 e um volume de 200 ul. Conecte uma extremidade esta tubulação para a seringa bomba de infusão, ea outra para a linha de cateter na veia da cauda, ​​tomando cuidado para não criar furos na tubulação.
5. Deslize a cama dos animais para dentro do furo do ímã, certificando-se de não perturbar o posicionamento da bobina de ressonância magnética e todas as linhas ou cabos, especialmente o tubo de anestesia. Assegure-se que o centro do cérebro está alinhado com os centros do MBobina RI, sistema de PET, e ímã MRI.
6. Executar a sintonização e correspondência da bobina de ressonância magnética, rodando os botões de ajuste sobre a bobina, minimizando impedância (vá especificações bobina) e de frequência (300 MHz para o ^{1 H a} 7 Tesla) desemparelhamentos através da observação do monitor do pré-amplificador de alta potência.
7. (MRI) Depois de regulação e de correspondência, adquirir uma imagem de scout: selecionar uma seqüência TriPilot RARE e executar a seqüência da Janela Controle Scan. Verificar o posicionamento do animal, repetindo os passos 3.5 e 3.6, se necessário. Redefinição de calços para valor zero.
8. (MRI) Adquirir uma localizada, verificação de espectroscopia resolvida no ponto (PRESS) em um volume dentro do cérebro: Executar uma sequência PRESS (ver Tabela 1) em um volume retangular com dimensões 3,9 mm × 6 mm × 9 mm. Verificar a largura da linha de água usando o comando de macro CalcLineWidth. Se a largura total a meia-valor máximo (FWHM) é aceitável (por exemplo, 0,2 ppm), continue na etapa 3.10. Se não, vá para a etapa 3.9.
9. (MRI) Adquirir um mapa de campo: Executar uma seqüência FieldMap (ver Tabela 1). Use os dados resultantes para um multi-ângulo de projeção calço (MAPSHIM) executando o comando de macro MAPSHIM e selecionando linear e de segunda ordem (z ²⁾ ajustes locais. Repita o passo 3.8.
10. (MRI) Posicione o plano de fatia para a verificação DWI (ver Tabela 1): usando o Editor de Geometria, assegurar que a aquisição FOV está posicionada para adquirir o volume desejado de interesse dentro do cérebro. Se o plano fatia resultante está alinhada como desejado, copiar este plano de fatia na janela de Controle de Digitalização para todas as digitalizações de DWI subseqüentes. Comece a aquisição.
11. (PET) Com a aquisição PET preparado e pronto para começar, começar a bomba de infusão. Depois do atraso pré-determinado, em que o soro fisiológico do cateter ter sido injectado, começar a aquisição de PET (ver Tabela 1), a fim de capturar a entrada de radiofármaco. Monitorar a taxa de contagem e procurar o aumento gradualem contagens indicativos de uma injecção com sucesso.
12. Após 10-15 min, iniciar o concorrente desafio hipóxico com a etapa 3.12. Para iniciar desafio hipóxico, desligue o fluxo de ar medicinal e imediatamente o poder em _O 2 e N ₂ medidores de vazão com as configurações pré-determinadas para entregar 8% de oxigênio e 92% de nitrogênio, e reduzir o isoflurano a 0,8%. Não ligue medidores de vazão, sem pressão de entrada.
13. (MRI) Ao mesmo tempo que o passo 3.12, começam aquisição DWI preparado no passo 3.10 (scan "H1").
14. (MRI) Começar aquisição DWI (scan "H2"), preparado no passo 3.10, imediatamente após verificação H1 é concluída. Termine desafio hipóxico por desligar medidores de vazão, restaurando o fluxo de ar medicinal, e retornando concentração de isoflurano para um valor adequado com base na monitorização fisiológica.
15. (MRI) Adquirir um DWI pós-hipóxia varredura preparado na etapa 3.10. Desligue a bomba de infusão após esta verificação for concluída.
16. (MRI) Anat Acquireimagens efec- tuada na axial e sagital. Na janela de Controle de Digitalização - selecione a seqüência MPME (ver Tabela 1). Usando o Editor de Geometria, garantir que a aquisição do FOV cobre o cérebro.
17. Remover animal, voltar a gaiola quando ambulatório e monitorar os sinais de morbidade, a eutanásia, se necessário com a administração de CO _{2, seguido de} luxação cervical como um método secundário.

Resultados

A Figura 1 mostra o resultado de uma ligação adequada da artéria carótida comum, antes de fechar a ferida com a sutura de seda 6-0.

Neste método, os dados obtidos a partir de imagiologia é altamente dependente do arranjo temporal da experiência, que por sua vez determina e é também ditada pela limitações experimentais, incluindo sistemas de aquisição de imagem e a configuração do equipamento. Estas e outras considerações são ainda mais exploradas na seção...

Discussão

MRI anatômica simultânea, e dinâmica DWI-RM e ^[18F] FDG PET dados foram adquiridos com sucesso a partir de animais experimentais durante desafio hipóxico seguinte ligação artéria carótida comum. Isto representa uma poderosa paradigma experimental para imagiologia multimodal da fisiopatologia rápida evolução associada com insultos isquémicos no cérebro e pode ser prontamente alargado para estudar outros radiomarcadores de PET (por exemplo, marcadores de neuroinflama�o) e sequências de resson...

Materiais

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)