Name: Murine PAUSAT Imaging
Uploaded: 2023-06-02T12:20:00
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murine pausat imaging

Nicht-invasive integrierte PAUSAT Ganzhirn-Bildgebung bei ischämischem Schlaganfall

Blood transports oxygen (via the hemoglobin protein) and other important nutrients to tissues in our bodies. When the flow of blood through tissues is interrupted (ischemia), severe damage to the tissues can occur, the most immediate effects of which are due to a lack of oxygen (hypoxia). Ischemic stroke is the result of interrupted blood flow to a certain region of the brain. The brain damage resulting from an ischemic stroke can occur within minutes of a vessel blockage, and can often have debilitating and lasting effects1,2. A highly valuable strategy to evaluate the physiopathology after ischemic stroke and identify and test new treatments is the use of small-animal models in the lab. Treatments discovered in the lab aim to be translated to clinical use and improve patients&#39; lives. However, the use of animals in biomedical research needs to be carefully evaluated according to Russell and Burch&#8217;s 3Rs principles: replacement, reduction, and refinement3. The objective of the reduction component is to reduce the number of animals without compromising data collection. With this in mind, being able to longitudinally evaluate the lesion evolution via noninvasive imaging allows a great advantage in reducing the number of animals required, as well as maximizing the information obtained from each animal4.
Photoacoustic tomography (PAT) is a hybrid imaging modality that combines optical absorption contrast with ultrasound imaging spatial resolution5. The imaging mechanism of PAT is as follows. An excitation laser pulse is illuminated on the target being imaged. Assuming the target absorbs light at the wavelength of the excitation laser, it will increase in temperature. This quick increase in temperature results in a thermoelastic expansion of the target. The expansion causes an ultrasound wave to propagate out from the target. By detecting the ultrasound wave at many positions, the time required for the wave to propagate from the target to the detectors can be used to create an image through a reconstruction algorithm. The ability of PAT to detect optical absorption in deep tissue regions differentiates PAT from ultrasound imaging, which detects boundaries of differing acoustic impedances of tissues5. In the visible and near-infrared spectra, the primary highly absorbing biomolecules that are abundant in organisms are hemoglobin, lipids, melanin, and water7. Of particular interest in the study of stroke is hemoglobin. Since oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin have different optical absorption spectra, PAT can be used with multiple excitation laser wavelengths to determine the relative concentration of the two states of the protein. This allows the oxygen saturation of hemoglobin (sO2), or blood oxygenation, to be quantified in and outside of the infarct region8,9. This is an important measure in ischemic stroke, as it can indicate the level of oxygen in the damaged brain tissue following ischemia.
Acoustic angiography (AA) is a contrast-enhanced ultrasound imaging method that is particularly useful for imaging the morphology of vasculature in vivo10. The method relies on the use of a dual-element wobbler transducer (a low frequency element and a high frequency element) in conjunction with microbubbles injected into the circulatory system of the imaging subject. The low-frequency element of the transducer is used for transmitting at the resonant frequency of the microbubbles (e.g., 2 MHz), while the high-frequency element is used to receive the super harmonic signals of the microbubbles (e.g., 26&#160;MHz). When excited at a resonant frequency, the microbubbles have a strong nonlinear response, resulting in the production of super harmonic signals that surrounding body tissues do not produce11. By receiving with a high-frequency element, this ensures that only the microbubble signals are detected. Since the microbubbles are confined to the blood vessels, the result is an angiographic image of blood vessel morphology. AA is a powerful method for imaging ischemic stroke, as the microbubbles that flow through the circulatory system are not be able to flow through blocked vessels. This allows AA to detect regions of the brain that are not perfused due to ischemic stroke, which indicates the infarct region.
Preclinical ischemic stroke research generally relies on the use of histology and behavioral testing to assess the location and severity of the stroke. Triphenyltetrazolium chloride (TTC) staining is a common histological analysis used to determine the stroke infarct volume. However, it can only be used at an endpoint, since it requires the animal to be euthanized12. Behavioral tests can be used to determine motor function impairment at multiple time points, but they cannot provide quantitative anatomical or physiological values13. Biomedical imaging provides a more quantitative approach to studying the effects of ischemic stroke noninvasively and longitudinally9,14,15. However, existing imaging technologies (such as small-animal magnetic resonance imaging [MRI]) can come at a high cost, be unable to provide concurrent structural and functional information, or have limited penetration depth (as most optical imaging techniques).
Here, we combine photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (PAUSAT; see system diagram in Figure 1), which allows for complementary structural and functional information of blood perfusion and oxygenation following ischemic stroke16. These are two important aspects in assessing the severity of injury and monitoring the recovery or response to treatments. Using these integrated imaging methods can increase the amount of information obtained by each animal, reducing the number of animals required and providing more information in the study of potential treatments for ischemic stroke.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65319/65319fig01.jpg" /> 
Figure 1: PAUSAT diagram. (A) Complete schematic of the PAUSAT system, including the laser and OPO used for PAT. (B) Inside view of the PAUSAT system, including two ultrasound transducers. The dual-element wobbler transducer is used for both B-mode ultrasound and AA, and the linear-array transducer is used for PAT. Both transducers are mounted on the same 2D motorized stage, allowing for scanning to generate volumetric data. This figure has been modified from16. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65319/65319fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>

Autor im Rampenlicht: Integrierte Photoakustik-, Ultraschall- und Angiographische Tomographie (PAUSAT) für die nicht-invasive Ganzhirnbildgebung von ischämischen Schlaganfällen  

Integrierte photoakustische, Ultraschall- und Angiographietomographie (PAUSAT) für die nicht-invasive Ganzhirnbildgebung des ischämischen Schlaganfalls

There are a few experimental challenges. For example, the presence of hair in the scalp can cause artifact in the acquired images. The age of the animal also plays a key role since the thickness of the skull is currently a limitation for the detection of deeper signals.Many purely optical imaging techniques require an invasive procedure and can only image about one millimeter deep. With PAUSAT, we combine the advantages of both ultrasound and optical imaging. We can get both structural and functional information surrounding ischemic stroke in a completely safe and non-invasive way.Being able to evaluate the evolution of an injury with or without treatment from the same animal at different time points allows us to collect very valuable information. And also to reduce the number of animals required for different studies. We are constantly working on ways to improve the imaging speed, depth, resolution and contrast for both photoacoustic and ultrasound imaging.With better imaging systems, we can answer more fundamental biological questions and evaluate new experimental treatments.

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Murine PAUSAT Imaging  

PAUSAT-Bildgebung in der Maus

Um das Bildgebungssystem einzurichten, lassen Sie den 532-Nanometer-Laser zunächst 15 Minuten lang eingeschaltet, um sich aufzuwärmen. Platzieren Sie als Nächstes eine angepasste Rampe, die an einem manuell verstellbaren Tisch befestigt ist, neben der Bildgebungsmembran. Befestigen Sie einen Mauszahnhalter mit angeschlossenem Beatmungsschlauch an der Rampe und befestigen Sie ein Heizkissen auf der Rampenoberfläche.Sobald sich der Laser erwärmt hat, platzieren Sie eine Detektorkarte in der Nähe des IR vor dem Eingang des Faserbündels und überprüfen Sie die Laserausrichtung, indem Sie sicherstellen, dass das Laserlicht in das Bündel eintritt. Beginnen Sie mit der Vorbereitung des Tieres, indem Sie die Haare des Kopfes der betäubten Maus mit einem Elektrorasierer von der Nähe der Augen bis hinter die Ohren schneiden. Tragen Sie eine Haarentfernungscreme auf die Oberseite des Kopfes auf.Wischen Sie die Creme nach fünf Minuten Einwirkzeit mit einem feuchten Wattestäbchen ab. Wiederholen Sie die Anwendung, bis die Haut des Kopfes vollständig enthaart ist. Kurz bevor das Tier auf die Plattform des Systems gebracht wird, injizieren Sie mit einer 27-Gauge-Nadel retroorbital 100 Mikroliter Mikrobläschen in Bestandskonzentration.Geben Sie nun einen Tropfen der Augenschutzlotion auf die Augen. Beginnen Sie mit der PAUSAT-Bildgebung, indem Sie das Bildgebungsfenster mit destilliertem Wasser auf der Oberfläche füllen, um eine akustische Kopplung zu gewährleisten. Befestigen Sie als Nächstes den Kopf der Maus im Zahnhalter und sorgen Sie für eine ordnungsgemäße Anästhesie und Luftzirkulation.Halten Sie mit einer Heizlampe und einer Rektalsonde, die an einen Temperaturregler angeschlossen ist, die Körpertemperatur des Tieres bei 37 Grad Celsius. Öffnen Sie die Bildgebungsanwendung und navigieren Sie zum B-Modus-Ultraschall. Verwenden Sie das Live-Ultraschallfenster, um den Kopf der Maus manuell in die gewünschte Position und die entsprechende Bühnenhöhe einzustellen.Stellen Sie den Wert der Ultraschallsendefrequenz im B-Modus auf 16 Megahertz ein. Geben Sie dann die Speicherverzeichnisinformationen in die Imaging-Anwendung ein. Wählen Sie als Nächstes die gewünschte Region des Gehirnscans aus, indem Sie das schwebende Feld verwenden.Drücken Sie die Taste "Statisch erfassen" und überprüfen Sie die Scanergebnisse, sobald die Bildaufnahme abgeschlossen ist, um sicherzustellen, dass der gewünschte Bereich abgebildet wird. Um eine akustische Angiographie-Bildgebung durchzuführen, kehren Sie zur Bildaufnahme zurück und ändern Sie dann den Modus in Akustische Angiographie. Geben Sie als Nächstes die gewünschten Scanprotokollparameter ein und stellen Sie den Bildabstand auf 0,2 Millimeter und 10 Bilder pro Position ein.Überprüfen Sie die Scanergebnisse unter Bildanalyse, um die Bildqualität sicherzustellen. Um mit der photoakustischen Tomographie abzubilden, öffnen Sie den optisch-parametrischen Oszillator (OPO) und stellen Sie ihn auf 756 Nanometer ein. Verschieben Sie dann den linearen Array-Wandler manuell in die zuvor festgelegten Koordinaten, um die Wobbler-Volumina und die linearen Array-Volumina automatisch zu registrieren.Öffnen Sie die Laseranwendung und schalten Sie den 532-Nanometer-Laser ein. Stellen Sie die Scanparameter auf 0,4 Millimeter Schrittweite, 20 Millimeter Scanlänge und 10 gemittelte Bilder pro Position ein. Öffnen Sie nun das MATLAB-Programm des Ultraschalldatenerfassungssystems und drücken Sie die Run-Taste.Drücken Sie anschließend in der Scan-Anwendung auf Start. Sobald der Scan abgeschlossen ist, öffnen Sie das MATLAB-Speicherprogramm. Ändern Sie den Speichernamen in den gewünschten Dateinamen und klicken Sie auf Ausführen.Ändern Sie dann die OPO-Wellenlänge auf 798 Nanometer und wiederholen Sie das Scannen. Die akustische Angiographie, kurz AA-Bildgebung, zeigte, dass im unverletzten Gehirn beide Hemisphären eine ähnliche Verteilung der Blutgefäße aufweisen. Ähnliche Ergebnisse werden in den photoakustischen Bildern bei zwei verschiedenen Wellenlängen beobachtet.Eine bemerkenswerte Signalreduktion im rechten lateralen Kortex wurde in den AA-Bildern von elektrokauterisierten Mäusen beobachtet. Die gleiche Region zeigte auch eine reduzierte Sauerstoffversorgung des Gewebes, was auf eine Ischämie hindeutet. Die PAUSAT-Bildgebung kann Schlaganfallbereiche auf der Grundlage des photothrombotischen Schlaganfallmodells identifizieren, indem sie die Region des oberen Kortex mit reduzierter Durchblutung und verminderter Sauerstoffsättigung identifiziert.Das Alter der Maus kann die Bildgebung beeinflussen, da der Schädel dicker wird und zu einer unterschiedlichen akustischen Impedanz führt, was bei älteren Mäusen zu einer geringeren Bildtiefe führt.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Murine PAUSAT Imaging

Integrated Photoacoustic, Ultrasound, and Angiographic Tomography (PAUSAT) for NonInvasive Whole-Brain Imaging of Ischemic Stroke

Presented here is an experimental ischemic stroke study using our newly developed noninvasive imaging system that integrates three acoustic-based imaging ...