Brain damage resulting from cerebral ischemia may be non-invasively imaged and studied in rats using pre-clinical positron emission tomography coupled with the injectable radioactive probe, 18F-fluorodeoxyglucose. Further, the use of modern software tools that include volume of interest (VOI) brain templates dramatically increase the quantitative information gleaned from these studies.
中风是死亡的美国人当中65岁以上的老年人1的第三大原因。生活的谁中风患者患有质量无法恢复正常的大部分患者2,这主要是由于目前尚缺乏临床治疗急性中风。这需要了解脑缺血的脑组织随时间的生理作用,是活跃的研究的一个主要领域。为此目的,已经取得了进展实验用大鼠作为中风的临床前模型,尤其是,使用非侵入性的方法,如(18)F-氟脱氧葡萄糖(FDG)加上正电子发射断层扫描(PET)成像3,10,17。在这里,我们提出了一个战略,大脑中动脉闭塞与诱导脑缺血大鼠(缺血),模仿局灶性脑缺血的人类,其成像效果超过24小时使用FDG-PET加上X射线计算机断层扫描(CT) Albira PET-CT仪。一个VOI模板寰后来融合到鼠脑数据,使大脑和其子区4的公正的分析。此外,对于FDG-PET-CT时间过程的三维可视化的方法,提出。总之,我们提出了用于发起,量化,和可视化在活的Sprague-Dawley大鼠的感应缺血性中风事件中使用FDG-PET三个维度的详细协议。
中风是死亡的发达国家的主要原因之一,是直接负责的1出19的美国人1死亡。据估计,大约有795,000美国人经历中风每年,其中对这些87%的缺血性在本质5。在缺血事件,对皮质神经元的连续供应的氧和葡萄糖的严重受损诱导缺氧的环境中,这导致在受影响的脑区域减少的细胞功能。根据笔划的严重程度,脑血流量和葡萄糖摄取空间和时间而变化。
伤害是由于中风可通过非侵入性的方法来识别,如18 F-氟脱氧葡萄糖(FDG)正电子发射断层扫描6。 FDG是一种葡萄糖类似物,其中的羟基基团在2'位已被取代发光(18)F同位素的正电子。18 F是ADVANTageous由于其长110分钟半衰期,允许它被用于检测葡萄糖消耗在大脑中。 FDG PET产生脱氧葡萄糖消耗量的定量高分辨率地图大脑7(18)F趋向于积聚在高葡萄糖消耗的区域内,这表明这些组织是高度代谢活性8。所述18 F-核经历β-衰变,释放正电子,迅速 与附近的电子湮灭,产生γ射线,这是由该仪器进行检测。 FDG PET扫描可以重复在同一个体具有至少10(18)F的半衰期,或约18小时,在扫描之间,从而提供了一种方法,在同一个体研究改变脑活动随时间。
临床前的动物模型,例如大鼠,经常被用来评估中风的影响,并为治疗中风的有效性。因为FDG PET是非侵入性的,它可被用来测量中风的影响,随着时间的推移,而不破坏动物的生理学。取决于行程事件位置,大脑的不同区域可能会受到影响。然而,用小动物如大鼠,手动定义和量化在大鼠大脑的特定区域的活性可以是具有挑战性。为了在大鼠大脑的特定区域随着时间的推移比较葡萄糖代谢活性,感兴趣(VOI),以进行量化的卷必须一致划定。大鼠脑的精确图谱已经开发缓解这一问题9,并已被转换成用于在临床前FDG-PET数据的量化使用数字形式。在这里,我们提出了一个方法来分类卒中组织损伤一致,有条不紊的方式。该方法详细描述了外科手术过程用于引发脑缺血的动物模型,量化受中风特定脑亚区,并且产生的程度的三维可视化的行程和位置使用适当的技术和工具的组织损伤。用在本研究中所描述的方法,研究人员可以始终如一地发起脑缺血大鼠,进行PET成像,并量化使用限定的大脑区域中的临床前中风模型随时间的变化FDG摄取。
这里,我们提出对中风诱导,PET成像,和组织损伤在Sprague-Dawley大鼠的脑标准化子区域测量的详细的策略。成像的小动物模型,特别是在冲程的面积是有益的,因为治疗中风是有效的依赖于极短的治疗时间。这里,我们提出一种伤害再灌注模型,其中,笔划被经由阻塞引起的大脑中动脉,以及使用FDG PET带,沿着用于解剖参考的X射线CT成像进行。 FDG摄取的脑子区域内刻板的测量成为可能的VOI模板图谱精确地映射到PMOD图像分析软件中的老鼠的大脑。在相对的半球比例FDG值收集除以相应脑子区,它允许损坏的直接测量而正常化的变化在不同的动物和时刻p之间的全球FDG PET信号oints。这些测量与中风的大鼠脑的预期效应相一致,显示出一致,脑组织对葡萄糖的摄取,在同侧半球的某些区域显著损失。这种方法有,来提升我们来比较动物接受多种类型的脑外伤,包括缺血性卒中的FDG PET数据集的能力的潜力。通过标准化的卷被跨越大脑半球,并在多个动物量化,这种方法会产生降低组织对葡萄糖的摄取一致的测量。请注意,其他PET 示踪剂与脑摄取,如11 C-雷氯必利的D2受体,可能与此协议中使用,以及21。最后,我们描述了一种方法来可视化在大鼠脑其骨架具有高的解剖精度内缺血性中风在三个维度。因为中风诱发的生理和功能障碍可能是瞬时的或永久的,这种非侵入性成像的方法允许研究人员评估的脑损伤中的相同的动物在一段时间。它提供了一种神经学得分大鼠,以及评估短期和长期的神经缺陷,在相同的动物。的PMOD软件的模板功能允许研究人员提供一定量的精度映射损伤区和或许关联到神经后遗症和行为模式。
对于脑分区中风损伤准确定量,关键的一步是在PMOD大鼠脑图谱的PET数据对齐。对齐不一致会导致受缺血的大脑分区域不正确的量化。如在协议步骤4.1.7描述,但是可以使用哈德腺体作为标志用于对准的脑图谱与实验的PET的数据。部分容积效应(PVE)是这种类型的分析过程中一个问题,并且会限制大脑结构的整体分辨率可被成像。信号溢出可能相邻卷之间发生,或者所述VOI本身可能太小相对于仪器的分辨率,从而降低了方法22的定量精度。在这些研究中所用的Albira的PET系统配备有三个检测器环,并产生1.1毫米,这由对应所取得1.5毫米23单环系统演进而来的分辨率。 Buvat和同事注意的PVE会影响肿瘤的测量值,其直径小于2-3倍于全宽度半最大值(FWHM)系统的分辨率,这将对应于一个球形体积的5.6-18.9毫米3为3-环Albira。 Casteels 等人最近表示体积大于8毫米3将具有现代临床前PET扫描仪具有在1.1-1.3毫米24的范围内的分辨率最小的部分容积效应。该希弗图集已精心构筑充分考虑这些参数,并利用58的VOI,其中13低于8毫米3阈值。这些包括的VOI为右和内侧前额叶皮质的左半球(6.3毫米3,R / L)时,帕的外皮(7.6毫米3,R / L),上丘(7.1毫米3,R / L)中,VTA(5.5毫米3,R / L),下丘(5.7毫米3,R / L),垂体(5.9 立方毫米)和CB血流(5.1 立方毫米)。此外,额皮质(1.4 mm 3的R / L)的测量将是最容易受到PVE由于其小的尺寸。
研究在较大的动物,如老鼠,其具有在所述解剖结构的尺寸相应地增加,将有可能可靠地量化相比小鼠脑子区的数量较多。然而,这些方法适用于在小鼠中,它们有自己的脑图谱中的PMOD可用的是由18分区域是大脑成像大小以减少PVE。此外,使用的PET,以确定更小的大脑区域比在这项研究中,可能需要使用替代的方法进行了描述。此处所描述的方法,使产生的脑组织损伤随时间,由大脑分区域分割,在活老鼠刻板和高效的量化。伤因缺血这里表现为一个例子,但呈现更改在大脑活动的定量的方法可以适用于影响大鼠脑的任何其他条件。
最后,小动物的FDG-PET-CT数据可以以一种非侵入性和经济的方式获得,并且可方便地用于小动物成像以定量的方式。利用PMOD程序的希弗模板工具,大脑缺血区域可以划定并在PET数据测量。这是脑缺血,以促进开发包后,一个强大的工具,脑重组,修复的未来研究和神经新台币神经疗法残疾人脑卒中患者。这种可视化也将在评估脑外伤,其中所述组织损伤,可以从不同的成像方式对齐的其它情况下是特别有用的。
The authors have nothing to disclose.
This study was supported by a grant from Bruker Molecular Imaging (to WML) and from the NIH (Grant HL019982 to FJC).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Albira PET SPECT CT | Bruker | 3D molecular imaging equipment | |
Sprague Dawley Rats | Charles River Laboratories | 400 | Animal Subjects |
18-F-D-Glucose | Spectron | PET compound | |
micro clamp | FST | artery clamp | |
occluder #4037 | Doccol Corp. | surgical stroke induction |