Samtidig PET / MR Imaging Under Mouse Cerebral iskæmi Hypoxi-

Summary

Metoden præsenteres her benytter samtidig positronemissionstomografi og magnetisk resonans. I den cerebrale hypoxi-iskæmi-model, dynamiske ændringer i diffusion og glukosemetabolismen forekomme under og efter skaden. De skiftende og kunne gentages skader i denne model kræver samtidige erhvervelse, hvis meningsfulde multimodale billeddiagnostiske data skal erhverves.

Abstract

Dynamiske ændringer i væv vand diffusion og glukosemetabolismen forekomme under og efter hypoxi i cerebral hypoxi-iskæmi afspejler en bioenergetik forstyrrelse i de ramte celler. Diffusion vægtet magnetisk resonans imaging (MRI) identificerer områder, der er beskadiget, potentielt irreversibelt ved hypoxi-iskæmi. Ændringer i glucoseudnyttelse i det påvirkede væv kan være detekterbart ved positronemissionstomografi (PET) scanning af 2-deoxy-2- ^(18F) fluor-ᴅ-glucose ^([18F] FDG) optagelse. På grund af den hurtige og variable karakter skade i dette dyremodel, skal erhvervelse af begge tilstande af data udføres samtidigt med henblik på at korrelere meningsfuld PET og MR data. Desuden variation mellem dyr indbyrdes i hypoxisk-iskæmisk skade som følge af vaskulære forskelle begrænser evnen til at analysere multimodale data og observere ændringer til en gruppe-kloge tilgang, hvis dataene ikke er erhvervet samtidig i enkelte fag. Fremgangsmåden pilde her gør det muligt at erhverve både diffusion-vægtet MRI og ^[18 F] FDG uptake data i det samme dyr før, under og efter hypoxiske challenge for at forespørge øjeblikkelige fysiologiske ændringer.

Introduction

Worldwide, slagtilfælde er den anden hyppigste dødsårsag og en væsentlig årsag til invaliditet ^1. Den kaskade af biokemiske og fysiologiske hændelser, der opstår under og akut efter et slagtilfælde begivenhed indtræffer hurtigt, og med konsekvenser for væv levedygtighed og i sidste ende resultatet ^2. Cerebral hypoxi-iskæmi (HI), hvilket fører til hypoxisk-iskæmisk encefalopati (HIE), skønnes at påvirke op til 0,3% og 4% af fuldbårne og præmature fødsler, henholdsvis ^3,4. Dødeligheden hos spædbørn med HIE er cirka 15% til 20%. I 25% af HIE overlevende, der opstår permanente komplikationer som følge af skaden, herunder mental retardering, motoriske underskud, cerebral parese, og epilepsi ^3,4. Tidligere terapeutiske interventioner har ikke vist sig værdig til vedtagelse som standard for pleje, og konsensus er endnu ikke nået, at de mest avancerede metoder, baseret på hypotermi, er effektivt at reducere morbiditet ^3,5. Andre spørgsmål of påstand omfatter metode til administration af hypotermi og patient udvælgelse ^6. Således strategier for neurobeskyttelse og neurorestoration er stadig et frugtbart område for forskning ^7.

Rotte modeller af cerebral HI har været tilgængelige siden 1960'erne, og efterfølgende blev tilpasset til mus ^8,9. På grund af karakteren af modellen og placeringen af ligeringen, er der iboende variabilitet i resultatet på grund af forskellen i kollateral strømning mellem dyr ^10. Som et resultat, disse modeller tendens til at være mere variabel i forhold til tilsvarende modeller som mellem-cerebral arterieokklusion (MCAo). Tidstro måling af fysiologiske ændringer er blevet demonstreret med laser Doppler-flowmetri samt diffusion-vægtet MRI ^11. Den observerede intra-animalsk variation i cerebral blodgennemstrømning under og umiddelbart efter hypoxi, samt i akutte resultater, såsom infarktvolumen og neurologiskunderskud, tyder på, at samtidig anskaffelse og korrelation af multimodale data ville være gavnligt.

Nylige fremskridt i samtidige positronemissionstomografi (PET) og magnetisk resonans imaging (MRI) har tilladt for nye muligheder i præklinisk billeddannelse ^12-14. De potentielle fordele ved disse hybride, kombinerede systemer til prækliniske anvendelser er blevet beskrevet i litteraturen ^15,16. Mens mange prækliniske spørgsmål kan løses ved billeddannelse et enkelt dyr sekventielt eller ved billeddannelse særskilte dyregrupper, visse situationer – for eksempel når hver forekomst af en begivenhed, såsom slagtilfælde manifesterer sig entydigt, med hurtigt udviklende patofysiologi – gør det ønskeligt og endda nødvendig at anvende samtidige måling. Funktionel Neuroimaging giver et eksempel, hvor samtidige 2-deoxy-2- ^(18F) fluor-ᴅ-glucose ^([18F] FDG) PET og blood-oxygen-plan afhængig (fed) MRI er for nylig blevet demonstreret i rotter whisker stimulation undersøgelser ^14.

Her viser vi, samtidig PET / MRI-billeddannelse under indtræden af ​​en hypoxisk-iskæmisk slagtilfælde, hvor hjernen fysiologi ikke ved steady state, men i stedet er hurtigt og irreversibelt ændret sig under hypoksiske udfordring. Ændringer i vanddiffusion, målt ved MRI og kvantificeres ved den tilsyneladende diffusionskoefficient (ADC) afledt af diffusion-vægtet imaging (DWI), er blevet godt karakteriseret for slagtilfælde i kliniske og prækliniske data ^17,18. I dyremodeller såsom MCAo, diffusion af vand i angrebne hjernevæv falder hurtigt på grund af den bioenergetic kaskade, der fører til cytotoksisk ødem ^18. Disse akutte ændringer i ADC er også observeret i gnavere modeller af cerebral hypoxi-iskæmi ^{11,19. [18F]} FDG PET imaging har været anvendt hos patienter med slagtilfælde at vurdere ændringer i den lokale glucose stofskifte ^20, og et lille antal in vivo dyreforsøg har også brugt ^[18 F] FDG ^21, herunder i cerebral hypoxi-iskæmi-model ^22. Generelt viser disse undersøgelser faldt glukoseudnyttelse i iskæmiske områder, selv om en undersøgelse ved hjælp af en model med reperfusion fundet nogen korrelation af disse metaboliske ændringer med senere infarkt udvikling ^23. Dette er i modsætning til diffusion ændringer, der er forbundet med irreversibelt beskadiget ^kernen 21. Således er det vigtigt at være i stand til at opnå den supplerende oplysninger, der stammer fra ^[18 F] FDG PET og DWI på en samtidig måde under udviklingen af slagtilfælde, da dette sandsynligvis vil give meningsfulde oplysninger om progression af personskader og virkningerne af terapeutiske indgreb. Den metode, vi beskriver her er let modtagelig for brug med en bred vifte af PET sporstoffer og MR-sekvenser. For eksempel, ^[15 O] _H2O PETbilleddannelse sammen med DWI og perfusion-vægtede billeder (PWI) fra MR kan anvendes til yderligere at udforske udviklingen af ​​den iskæmiske Penumbra og validere de nuværende teknikker inden slaget imaging feltet.

Protocol

Alle dyr håndtering og procedurer, der er beskrevet heri, og i henhold til Animal Research: Rapportering in vivo forsøg (ankommer) retningslinjer, blev udført i overensstemmelse med protokoller, der er godkendt af Foreningen for Vurdering af akkreditering af Laboratory Animal Care (AAALAC) International akkrediteret Institutional Animal Care og brug Udvalg ved University of California, Davis. Korrekt kirurgi bør ikke medføre tegn på nogen smerte eller ubehag i dyret, men der bør tages, hvis disse tegn er overhold…

Representative Results

Figur 1 viser resultatet af en korrekt ligering af arteria carotis communis, før lukning af såret med 6-0 silkesutur. Ved denne fremgangsmåde, data fra billeddannelse er stærkt afhængig af den tidsmæssige placering af forsøget, som igen dikterer og er også dikteret af eksperimentelle begrænsninger, herunder billedoptagelse ordninger og opsætning af udstyr. Disse og andre overvejelser er nærmere i diskussionen afsnit. Med protokollen beskrevet heri fysiske opsætni…

Discussion

Samtidig anatomisk MRI, og dynamisk DWI-MR og ^[18 F] FDG PET data lykkedes erhvervet fra forsøgsdyr under hypoksisk udfordring følgende fælles halspulsåren ligation. Dette repræsenterer en kraftig eksperimentel paradigme for multimodal billeddannelse af den hastigt udviklende patofysiologi i forbindelse med iskæmiske fornærmelser i hjernen og kunne let udvides til at studere andre PET radioaktive sporstoffer (f.eks markører af neuroinflammation) og MRI-sekvenser, samt virkningen af ​​interventione…

Materials

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, 35mm ID	Bruker	T8100
PET system	(In-house)		4×24 LSO-PSAPD detectors, 10×10 LSO array per detector, 1.2mm crystal pitch and 14mm depth. 14 x 14 mm PSAPD. FOV: 60x35mm. 350-650 keV energy window. 16 ns 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)