Name: Murine PAUSAT Imaging
Uploaded: 2023-06-02T12:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Murine PAUSAT Imaging at JoVE.com

murine pausat imaging

Icke-invasiv integrerad PAUSAT Helhjärnsavbildning av ischemisk stroke

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>

Författare i fokus: Integrerad fotoakustisk, ultraljuds- och angiografisk tomografi (PAUSAT) för icke-invasiv helhjärnsavbildning av ischemisk stroke  

Integrerad fotoakustisk, ultraljud och angiografisk tomografi (PAUSAT) för icke-invasiv helhjärnavbildning av ischemisk stroke

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.

Watch this Scientific Journal Video about Murine PAUSAT Imaging at JoVE.com

Murine PAUSAT Imaging  

Murin PAUSAT Bildbehandling

För att ställa in bildsystemet, börja med att lämna 532 nanometerlasern på i 15 minuter för att värma upp. Placera sedan en anpassad ramp fäst vid ett manuellt justerbart steg bredvid bildmembranet. Fäst en mustandhållare med ett anslutet andningsrör på rampen och fäst en värmedyna på rampytan.När lasern har värmts upp, placera ett nära IR-detektorkort framför fiberbuntens ingång och kontrollera laserinriktningen genom att se till att laserljuset kommer in i bunten. Börja djurberedningen genom att klippa håret på den bedövade musens huvud med en elektrisk rakapparat från nära ögonen till bakom öronen. Applicera en hårborttagningskräm på toppen av huvudet.Efter att ha lämnat den på i fem minuter, torka av grädden med en våt bomullspinne. Upprepa appliceringen tills huvudets hud är helt depilerad. Strax innan djuret överförs till systemets plattform, använd en 27 gauge nål för att retroorbitalt injicera 100 mikroliter mikrobubblor vid lagerkoncentration.Lägg nu en droppe ögonskyddslotion på ögonen. Börja PAUSAT-avbildning genom att fylla bildfönstret med destillerat vatten på ytan för akustisk koppling. Säkra sedan musens huvud i tandhållaren och se till att anestesi och luftflöde är korrekt.Använd en värmelampa och en rektal sond ansluten till en temperaturregulator, håll djurets kroppstemperatur vid 37 grader Celsius. Öppna bildprogrammet och navigera till ultraljudet i B-läge. Använd det levande ultraljudsfönstret för att justera musens huvud till önskad position manuellt och scenhöjden därefter.Justera värdet på ultraljudsöverföringsfrekvensen i B-läge till 16 megahertz. Ange sedan informationen om sparkatalogen i avbildningsprogrammet. Välj sedan önskad region i hjärnskanningen med hjälp av den flytande rutan.Tryck på knappen Hämta statisk och kontrollera skanningsresultaten när bildinsamlingen är klar för att säkerställa önskad regionavbildning. Om du vill utföra akustisk angiografiavbildning återgår du till Bildinsamling och ändrar sedan läget till Akustisk angiografi. Ange sedan önskade skanningsprotokollparametrar och ställ in ramavståndet på 0,2 millimeter och 10 bilder per position.Kontrollera skanningsresultaten under bildanalys för att säkerställa bildkvaliteten. För att avbilda med fotoakustisk tomografi, öppna den optiska parametriska oscillatorn, eller OPO-applikationen, och ställ in den på 756 nanometer. Översätt sedan den linjära matrisgivaren manuellt till de tidigare bestämda koordinaterna för att automatiskt samregistrera wobblervolymerna och de linjära matrisvolymerna.Öppna laserapplikationen och slå på 532 nanometerlasern. Ställ in skanningsparametrarna som 0,4 millimeter stegstorlek, 20 millimeter skanningslängd och 10 bilder i genomsnitt per position. Öppna nu ultraljudsdatainsamlingssystemet MATLAB-programmet och tryck på körknappen.Tryck sedan på start i skanningsprogrammet. När skanningen är klar öppnar du MATLAB-sparprogrammet. Ändra spara namnet till önskat filnamn och tryck på Kör.Ändra sedan OPO-våglängden till 798 nanometer och upprepa skanningen. Akustisk angiografisk eller AA-avbildning visade att i den oskadade hjärnan uppvisar båda halvkärmarna en liknande fördelning av blodkärl. Liknande resultat observeras i fotoakustiska bilder vid två olika våglängder.Anmärkningsvärd signalreduktion i höger lateral cortex observerades i AA-bilderna av elektrocauteriserade möss. Samma region visade också minskad vävnadssyresättning, vilket tyder på ischemi. PAUSAT-avbildning kan identifiera strokeområden baserat på fototrombotisk strokemodell genom att identifiera övre cortexregion med minskad blodflödestillförsel och minskad syremättnad.Musens ålder kan påverka avbildningen eftersom skallen blir tjockare och resulterar i olika akustiska impedanser vilket resulterar i minskat bilddjup för äldre möss.

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 ...