Одновременное ПЭТ / МРТ изображений Во мыши гипоксии мозга-ишемии

Резюме

Метод, представленный здесь использует одновременное позитронно-эмиссионной томографии и магнитно-резонансной томографии. В коре головного модели ишемии-гипоксии, динамические изменения в диффузионной и метаболизма глюкозы происходят во время и после травмы. Развивающейся и неповторимы повреждения в этой модели требует одновременного приобретения, если значимые мультимодальных данных изображений будут приобретены.

Аннотация

Динамические изменения в ткани диффузии воды и метаболизма глюкозы происходят во время и после гипоксии в коре головного гипоксии-ишемии, отражающей нарушение биоэнергетический в пораженных клеток. Диффузия взвешенных магнитно-резонансная томография (МРТ) выявляет области, которые были повреждены, потенциально необратимо, гипоксией-ишемией. Изменения в утилизации глюкозы в пораженной ткани может быть обнаружено с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) из 2-дезокси-2- ⁽¹⁸ F), фтор-ᴅ-глюкозы ^([18 F] FDG) поглощения. В связи с быстрым и переменного характера травмы в этой модели на животных, приобретение обоих режимах данных должны выполняться одновременно для того, чтобы осмысленно соотносятся ПЭТ и МРТ данных. Кроме того, изменчивость между животными в гипоксически-ишемической травмы из-за сосудистых различий ограничивает способность анализировать мультимодальных данные и наблюдать изменения в групповой мудрый подход, если данные не приобрел одновременно в отдельных предметов. Метод рвозмущение здесь позволяет приобретать как диффузионно-взвешенных МРТ и ^[18 F] FDG данные поглощения в том же животного до, во время и после гипоксической вызов для того, чтобы опрашивать непосредственные физиологические изменения.

Введение

Во всем мире, инсульт является второй ведущей причиной смерти и одной из основных причин инвалидности ^1. Каскад биохимических и физиологических событий, которые происходят во время и остро следующих событие хода происходит быстро и с последствиями для жизнеспособности тканей и в конечном счете исход ^2. Церебральный ишемии-гипоксии (HI), что приводит к гипоксически-ишемической энцефалопатией (HIE), по оценкам, затрагивает до 0,3% и 4% доношенных и недоношенных новорожденных, соответственно ^3,4. Смертность у детей с ГИЭ примерно 15% до 20%. В 25% выживших HIE, постоянные осложнения возникают в результате травмы, в том числе умственной отсталости, дефицит моторных, церебральный паралич и эпилепсия ^3,4. Прошедшие терапевтические вмешательства не доказано достойным принятия в качестве стандарта лечения, и консенсус еще не достигнут, что самые передовые методы, основанные на переохлаждение, эффективно снижение заболеваемости ^3,5. Другие вопросы выводае утверждение включают способ введения гипотермии пациента и выбора ^6. Таким образом, стратегии для нейропротекции и neurorestoration еще плодородная область для исследований ^7.

Крыса модели головного HI были доступны с 1960-х годов, а затем были адаптированы к мышам ^8,9. Из-за характера модели и расположения труб, существует присуща вариабельность результата из-за разницы в коллатерального между животными ^10. В результате, эти модели, как правило, более изменчивым по сравнению с аналогичными моделями, такими как окклюзии средней мозговой артерии (МСАО). В режиме реального времени измерения физиологических изменений была продемонстрирована лазерной допплеровской флоуметрии, а также диффузионно-взвешенной МРТ ^11. Наблюдаемое вариабельность внутри животного в мозгового кровотока во время и сразу после гипоксии, а также при острых результатов, таких как объем инфаркта и неврологическихДефицит, предполагают, что одновременное приобретение и корреляция данных мультимодальных бы быть полезным.

Последние достижения в области одновременного позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) позволили новых возможностей в доклинической визуализации ^12-14. Потенциальные преимущества этих гибридных, комбинированных систем для доклинических приложений были описаны в литературе ^15,16. В то время как многие доклинические вопросы могут быть решены с помощью визуализации индивидуальный последовательно животных или визуализации отдельных групп животных, в определенных ситуациях - например, когда каждый экземпляр события, такие как инсульт проявляется однозначно, с быстро развивающейся патофизиологии - делают желательным и даже необходимым использовать одновременное измерение. Функциональный нейровизуализация обеспечивает один такой пример, в котором одновременное 2-дезокси-2- ⁽¹⁸ F), фтор-ᴅ-глюкозы ^([18 F] FDG) ПЭТ и Блуд-кислород-зависит от уровня (выделены жирным шрифтом) МРТ недавно было продемонстрировано в крыс усов стимуляции изучает ^14.

Здесь мы демонстрируем одновременно ПЭТ / МРТ во время наступления гипоксии-ишемии инсульта, в котором мозг физиология не в стационарном состоянии, но вместо этого быстро и необратимо меняется в течение гипоксического вызов. Изменения в диффузии воды, измеренные с помощью МРТ и количественно по коэффициента диффузии (ADC), полученного из диффузионно-взвешенной визуализации (DWI), был хорошо характеризуется инсульта в клинических и доклинических данных ^17,18. В моделях животных, таких как MCAO, диффузия воды в пораженной ткани мозга быстро падает из-за биоэнергетической каскада, ведущей к отеку цитотоксической ^18. Эти острые изменения в АЦП также наблюдается в моделях грызунов мозговой ишемии-гипоксии ^{11,19. [18 F]} ФДГ ПЭТ используется в пациентов, перенесших инсульт, чтобы оценить изменения в местной глucose метаболизм ^20, и небольшое количество в естественных исследованиях на животных также используются ^[18 F] FDG ^21, в том числе в коре головного гипоксия-ишемия модели ^22. В общем, эти исследования показывают, уменьшилось утилизацию глюкозы при ишемических регионах, хотя исследование с использованием модели с реперфузией не обнаружили корреляцию этих метаболических изменений с развитием инфаркта позже ^23. Это в отличие от изменений диффузии, которые были связанные с непоправимый ущерб сердечника ^21. Таким образом, важно, чтобы иметь возможность получить дополнительную информацию, полученную из ^{[18 F]} FDG ПЭТ и ДВИ в одновременном образом в процессе эволюции инсульта, так как это может принести существенную информацию о прогрессировании повреждения и воздействия терапевтические вмешательства. Способ описывается здесь легко поддаются использовать с различными ПЭТ индикаторов и последовательностей МРТ. Например, ^[15 О] _H 2 O ПЭТизображений вместе с ДВИ и перфузии-взвешенных изображениях (ИЭС) от МРТ могут быть использованы для дальнейшего изучения развития ишемической полутени и проверить текущие методы в пределах поля изображения инсульт.

протокол

Вся обработка животных и процедуры, описанные в данном документе, и в соответствии с исследований животных: Отчетный In Vivo эксперименты (приехать) руководящих принципов, были выполнены в соответствии с протоколами, утвержденными ассоциацией по оценке аккредитации лабораторных животных (AAALAC) Международная аккредитованных Уходу за животными и использование комитета при Университете Калифорнии в Дэвисе. Правильное хирургия не должны приводить к любой признаков боли или дискомфорта у животного, но надлежащие меры должны быть приняты, если эти признаки наблюдаются, в том числе администрации анальгетиков или в некоторых случаях, эвтаназии. На правой стороне животных была выбрана произвольно в одностороннем порядке, описанном.

1. Одностороннее общей сонной артерии (ССА) Лигирование

1. Подготовьте стерильную поле с стерилизованных хирургических инструментов и материалов, расположенных удобно. Обеспечить грелку нагревают до 37 ° С с датчиком температуры размещены надежно на площадку. & #160; Будьте уверены, чтобы использовать стерильную драпировку, чтобы покрыть хирургического сайт.
2. Обезболить животное (изофлуран, 1-3% в воздухе при 0,5-1 л / мин), и поместите животное в положении лежа на спине с хвостом спиной. Проверьте обезболивания, зажимая палец - это не должно вызывать никакой реакции, если животное правильно наркозом является. Применить глазной мази для глаз.
3. Применить депиляции крем для декольте в верхней части грудной клетки, используя ватные тампоны 1-2. Подождите 1-3 мин, а затем удалить волосы с помощью крема и влажные марлевые тампоны или спиртовые. Тампон разрез площадь бетадином по кругу изнутри наружу, а затем изменить в стерильные хирургические перчатки.
4. Использование хирургические ножницы, сделать надрез около 1 см по средней линии нижней шеи. Аккуратно отделите наружную оболочку из окружающих фасции с помощью хирургических ножниц.
5. Использование двух McPherson микро диафрагмы наложения швов щипцов, отделить правую общую сонную артерию от фасции, заботясь, чтобы не повредить вены или disturBing блуждающий нерв.
6. Используя пинцет справа, экстериоризоваться правильный CCA в устойчивом положении. Нанесите несколько капель физиологического раствора, чтобы предотвратить высыхание. Пройдите подходящую длину (2-3 см) 6-0 шелковой нити под правой ОСА, и перевязывать, используя двойную квадратный узел. При желании, лигировать раз с помощью второй длины 6-0 шелковой нити.
7. Повторно правильный CCA и очистить лишнюю жидкость из открытия с помощью стерильного тампона губка наконечником. Закрыть разрез с 6-0 шелковой нити. Применение лидокаина местно до 7 мг / кг.
8. Разрешить животное, чтобы оправиться от наркоза до амбулаторного (примерно 30 мин) и выполнить пост-хирургического мониторинг до животных не готов к визуализации.

2. Подготовка к визуализации: системы и комплектующие Проверки

1. Настройка оборудования и программного обеспечения для систем МРТ и ПЭТ и проверить их функциональность следующим образом. Убедитесь, что все физические соединения надежно закреплены и настройки программного обеспечения, соответствующим образом выбирают.
   1. Убедитесь, что система находится в ПЭТ установленном рабочей температуре 5 ° С с использованием системы охлаждения воздуха.
   2. Система Гора ПЭТ внутри ствола МРТ, совместив поле ПЭТ и МРТ зрения (FOV) с использованием известных центров осевых смещений. Установите катушку МРТ внутри ствола системы ПЭТ и в центре катушки с системой ПЭТ и магнит центров МРТ.
   3. Включите ПЭТ электроники для мощности и напряжения смещения (Примечание: шаги варьироваться в зависимости от инструмента). Выполните быстрый (5 мин) сканирование с использованием ⁶⁸ Ge цилиндр и проверить результат синограмм, чтобы обеспечить все детекторы находятся в рабочем состоянии.
   4. При желании приобрести данные для использования на матрице преобразования ПЭТ / МРТ для целей совместного регистрации: Заполните трехмерную фантом (например, три заполненные сферы) 200 мкКи ¹⁸ F водном растворе и приобрести в течение 15 мин с ПЭТ. Приобретать анатомические данные МРТ: в окне управления Scan, выберите мульти-ломтик несколько эхо-(ММСП) последовательность (см таблицу 1 ). Повторите для всех трех основных направлений: осевого, сагиттальной, корональной и.
2. Проверьте настройки инфузионный насос и операции. Установите насос 4,44 мкл в минуту, что в 45 мин инфузии постоянной обеспечивает общий объем 200 мкл, типичной рекомендуемый предел для внутривенной инъекции в 20 г животного.
3. Проверьте работу нагревателя и подтвердить, что выход температура достаточна, чтобы сохранить животных теплой (37 ° С). Убедитесь, что температура и мониторинг дыхания функционирует в рамках подготовки к размещению животных на кровати животных.
4. Проверьте работу _О 2 и Н ₂ расходомеров (для 0,5 л / мин: _O 2 на 57,2 мг / мин и N _{2 в} 0,575 г / мин) путем подачи питания на обоих с источником сжатого воздуха выходные и O _{2 и} N ₂ Источники на. Чтобы избежать риска повреждения расходомеров, не включайте их на достаточном давлении без ввода.
5. Убедитесь, что ИФ Vaporizer достаточно заполнены. До изображений, начать ИФ поток анестезии на 1-2% и от 0,5 до 1 л / мин.
6. Подготовка животных кровать, гарантируя, что анестезия, респираторная площадку и систем отопления расположены надежно и функционально. За дополнительной ПЭТ / МРТ точности корегистрацию, координатных меток (например, капиллярных трубок, наполненных РФП в той же концентрации, как для работы с изображениями вводимого) могут быть присоединены к кровати животных в поле зрения.

3. изображений документооборота

После того как все необходимые проверки оборудования будут завершены, перейти к визуализации следующим образом:

1. Обезболить животное с изофлуран и вставить в хвостовую вену катетер (28 г игл, ПЭ-10 трубки меньше, чем 5 см), заполненную физиологическим раствором гепарина (0,5 мл гепарина, 1000 USP / мл, в 10 мл физиологического раствора). Потепление животное и / или хвост может повысить точность ввода катетера. При желании поместить каплю клея цианакрилатного на сайте вставкичтобы обеспечить капельницу.
2. Перевести животное в подготовленное ложе животных. Убедитесь, что голова животного является безопасным, с верхних резцов обеспечены бар и уха баров зубов на месте, если используется.
3. Применить глазной мази для глаз, чтобы предотвратить высыхание. Вставьте ректального термометра зонда. Убедитесь, что температура и показания дыхания функциональны.
4. Draw дозу радиотрейсера (около 600 мкКи в 200 мкл), который будет введен в гепаринизированной ПЭ-10 трубки соответствующей длины - около 3 м на 10 ПЭ-трубы и объемом 200 мкл. Подключите один конец этой трубки к шприцу инфузионного насоса, а другой в хвостовую вену катетер линии, заботясь, чтобы не создавать проколы в трубки.
5. Слайд кровать животных вперед в отверстие магнита, убедившись, чтобы не нарушить позиционирование катушки МРТ и любые линии или кабели, особенно трубки анестезии. Убедитесь, что центр мозга выравнивается с центрами МР. катушка, ПЭТ системы и МРТ магнит.
6. Выполните настройку и согласование катушки МРТ при вращении ручек регулировки на катушке, минимизируя сопротивление (проверьте спецификации катушки) и частоту (300 МГц ^{течение} 1 ч при 7 Тесла) несоответствия, наблюдая отображение высокой мощности усилителя.
7. (МРТ) После настройки и согласования, приобретают разведчик изображение: выберите редкий последовательность tripilot и запустить последовательность из окна управления Scan. Проверка позиционирование животного, повторяя этапы 3.5 и 3.6, как это необходимо. Сброс прокладки к нулевому значению.
8. (МРТ) приобретать локализованный, точка разрешением спектроскопического сканирования (прессе) в объеме в пределах мозга: Запустите последовательность печати (см таблицу 1) в прямоугольный объем с размерами 3,9 мм × 6 мм × 9 мм. Проверьте ширину линии воды, используя команду CalcLineWidth макросъемки. Если полная ширина на половине максимального значения (FWHM) является приемлемым (например, 0,2 частей на миллион), перейдите к шагу 3.10. Если нет, перейдите к шагу 3.9.
9. (МРТ) Приобретите поле Карта: Запустите последовательность FieldMap (см таблицу 1). Используйте полученные данные для нескольких ракурсов проекции прокладки в (MAPSHIM), выполнив команду MAPSHIM макро- и выбора линейных и второго порядка (г) ² местных коррективы. Повторите шаг 3.8.
10. (МРТ) Расположите план ломтик для DWI сканирования (см таблицу 1): с помощью геометрии редактора, убедитесь, что приобретение FOV позиционируется получить необходимый объем интерес в головном мозге. Если в результате план ломтик выравнивается по желанию, скопируйте этот план ломтик в окне управления Scan для всех последующих DWI сканирования. Начните приобретения.
11. (ПЭТ) С приобретением ПЭТ подготовлены и готовы начать, начать инфузионный насос. После предопределенного задержки, в котором солевой из катетера был введен, начать сбор ПЭТ (см таблицу 1) для того, чтобы захватить ввод РФП. Монитор скорости счета и искать постепенным увеличениемрассчитывает свидетельствует о успешной инъекции.
12. После 10-15 мин, инициировать вызов гипоксического одновременно с шагом 3.12. Чтобы начать гипоксического вызов, выключить медицинской воздушный поток и сразу же питание О _{2 и} Н ₂ расходомеров с заранее заданными настройками, чтобы доставить 8% кислорода и 92% азота, а также снизить изофлуран до 0,8%. Не власть на расходомеров без давления на входе.
13. (МРТ) В то же время, как шаг 3.12, начинают сбор ДВИ, полученного на стадии 3.10 (сканировать "H1").
14. (МРТ) Начало сбора ДВИ (сканировать "H2"), полученного на стадии 3.10, сразу после сканирования H1 завершена. Конец гипоксического вызов, выключения расходомеры, восстановление медицинской воздушный поток, и возвращение ИФ концентрацию до подходящего значения, основанного на физиологическом мониторинге.
15. (МРТ) приобретать пост-гипоксия ДВИ сканирование полученного на стадии 3.10. Выключите инфузионный насос после этого завершения осмотра.
16. (МРТ) Приобретение Анатomical изображения в осевой и сагиттальной плоскостях. В окне управления Scan - выберите ММСП последовательность (см таблицу 1). Использование геометрии редактора, убедитесь, что приобретение FOV охватывает мозг.
17. Удалить животное, вернуться к клетке, когда амбулаторное и отслеживать признаки заболеваемости, эвтаназии, если это необходимо с администрацией СО ₂ с последующим смещением шейных позвонков в качестве вторичного метода.

Результаты

Рисунок 1 демонстрирует результат правильного перевязки общей сонной артерии, до закрытия раны с 6-0 шелковой нити.

В этом способе данные, полученные из изображений сильно зависит от временной постановке эксперимента, который в свою очередь диктует и диктуется ?...

Обсуждение

Одновременное анатомическая МРТ, и динамический ДВИ-МРТ и ^[18 F] Данные ФДГ ПЭТ успешно приобрела у экспериментальных животных во время гипоксического вызов следующей перевязки общей сонной артерии. Это представляет собой мощный экспериментальный парадигму мультимодальных визу?...

Материалы

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)