Avanceret diffusion Imaging i hippocampus af rotter med mild traumatisk hjerneskade
Summary
Det overordnede mål med denne procedure er at opnå kvantitative mikrostrukturelle oplysninger af hippocampus i en rotte med mild traumatisk hjerneskade. Dette gøres ved hjælp af en avanceret diffusion-vægtet magnetisk resonans imaging protokol og region-of-Interest baseret analyse af parametrisk diffusion kort.
Abstract
Mild traumatisk hjerneskade (mTBI) er den mest almindeligt forekommende form for erhvervet hjerneskade. Da patienter med traumatisk hjerneskade viser en enorm variation og heterogenitet (alder, køn, type af traumer, andre mulige patologier, etc.), dyremodeller spiller en central rolle i unraveling faktorer, der er begrænsninger i klinisk forskning. De giver en standardiseret og kontrolleret indstilling til at undersøge de biologiske mekanismer for skade og reparation efter TBI. Men ikke alle animalske modeller efterligner den diffuse og subtile karakter af mTBI effektivt. For eksempel gør de almindeligt anvendte kontrollerede kortikale virkninger (CCI) og lateral Fluid percussion skade (LFPI) modeller brug af en kraniotomi for at eksponere hjernen og fremkalde udbredt fokal traume, som ikke er almindeligt forekommende i mTBI. Derfor er disse eksperimentelle modeller ikke gyldige til efterligne MTBI. Således bør en passende model anvendes til at undersøge mTBI. Marmarou vægt drop model for rotter inducerer lignende mikrostrukturelle ændringer og kognitive funktionsnedsættelser som ses hos patienter, der opretholder mild traume; Derfor blev denne model valgt for denne protokol. Konventionelle computertomografi og magnetisk resonans imaging (MRI) scanninger viser almindeligvis ingen skade efter en mild skade, fordi mTBI inducerer ofte kun subtile og diffuse skader. Med diffusions vægtet MRI er det muligt at undersøge mikrostrukturelle egenskaber af hjernevæv, som kan give mere indsigt i de mikroskopiske ændringer efter milde traumer. Derfor er målet med denne undersøgelse er at opnå kvantitative oplysninger om en udvalgt region-af-interesse (dvs., hippocampus) at følge op sygdomsprogression efter opnåelse af en mild og diffus hjerneskade.
Introduction
Traumatisk hjerneskade (TBI) har fået mere opmærksomhed i de seneste år, da det er blevet klart, at disse hjerneskader kan resultere i livslang kognitive, fysiske, følelsesmæssige, og sociale konsekvenser1. På trods af denne stigende bevidsthed, mild TBI (mTBI, eller hjernerystelse) er stadig ofte underrapporteret og udiagnosticeret. MTBI er blevet omtalt som en tavs epidemi, og personer med en historie mTBI viser højere satser for stofmisbrug eller psykiatriske problemer2. Flere patienter med mTBI går udiagnosticeret hvert år på grund af den diffuse og subtile karakter af de skader, som ofte ikke er synlige på konventionel computertomografi (CT) eller magnetisk resonans imaging (MRI) scanninger. Denne mangel på radiologiske beviser for hjerneskade har ført til udvikling af mere avancerede billeddiagnostiske teknikker såsom diffusion MRI, som er mere følsomme over for mikrostrukturelle ændringer3.
Diffusion MRI tillader in vivo kortlægning af mikrostrukturen, og denne MRI teknik har været anvendt i udstrakt grad i TBI undersøgelser4,5,6. Fra diffusions tensor beregnes fraktioneret anisotropi (FA) og gennemsnitlig difsivitet (MD) for at kvantificere ændringer i den mikrostrukturelle organisation efter skade. Nylige anmeldelser i mTBI patienter rapporterer stigninger i FA og fald i MD efter skade, som kan være tegn på axonal hævelse7. I modsætning hertil er stigninger i MD og fald i FA også fundet og er blevet foreslået til at underbyde afbrydelser i parentchymal struktur efter ødem dannelse, axonal degeneration, eller fiber forskydning/afbrydelse8. Disse blandede fund kan delvis forklares ved den signifikante kliniske heterogenitet af mTBI forårsaget af forskellige typer af virkninger og sværhedsgrad (f. eks. rotation-acceleration, stump kraft traumer, blast skade eller kombination af førstnævnte). Men i øjeblikket er der ingen klar konsensus om den underliggende patologi og biologisk/cellulære grundlag understøtter ændringer i den mikrostrukturelle organisation.
Dyremodeller giver en standardiseret og kontrolleret indstilling til at undersøge biologiske mekanismer for skade og reparation efter TBI mere detaljeret. Flere eksperimentelle modeller for TBI er blevet udviklet og repræsenterer forskellige aspekter af human TBI (f. eks focal vs. diffus traume eller traumer forårsaget af roterende kræfter)9,10. Almindeligt anvendte dyremodeller omfatter kontrollerede kortikale virkninger (CCI) og lateral Fluid percussion skade (LFPI) modeller11,12. Selv om de eksperimentelle parametre kan være velkontrolleret, disse modeller gør brug af en kraniotomi at udsætte hjernen. Craniotomier eller kraniet frakturer er ikke almindeligt forekommende i mTBI; Derfor er disse eksperimentelle modeller ikke gyldige til efterligne MTBI. Den effekt acceleration model udviklet af Marmarou et al.13 gør brug af en vægt, der er faldet fra en vis højde på rotte hovedet, som er beskyttet af en hjelm. Denne dyremodel inducerer lignende mikrostrukturelle ændringer og kognitive funktionsnedsættelser som set hos patienter, der opretholder milde traumer. Derfor er denne marmarou vægt dråbe model egnet til at undersøge Imaging biomarkører for diffus MTBI14,15.
Denne rapport viser anvendelsen af avanceret diffusion MRI i en mTBI rotte model ved hjælp af Marmarou vægt drop model. Første vist er, hvordan man fremkalder en mild og diffus traume, og analyse ved hjælp af diffusion tensor Imaging (DTI) model er derefter forudsat. Specifikke biologiske oplysninger opnås ved brug af mere avancerede diffusionsmodeller [dvs. diffusion Kurtosis Imaging (DKI) og hvide substans Tract (WMTI) model]. Specielt er der påført milde traumer, og mikrostrukturelle ændringer evalueres derefter i hippocampus ved hjælp af konventionel T2-vægtet MRI og en avanceret diffusions billedbehandlings protokol.
Protocol
Representative Results
Discussion
Da mTBI ofte er resultatet af en diffus og subtil skade, der ikke viser nogen abnormiteter på CT og konventionelle MRI-scanninger, er vurderingen af mikrostrukturelle skader efter et mildt traume fortsat en udfordring. Derfor er mere avancerede imaging teknikker er nødvendige for at visualisere det fulde omfang af traumet. Anvendelsen af diffusion magnetisk resonans imaging i TBI forskning har fået mere interesse i det sidste årti, hvor diffusion tensor Imaging er hyppigst anvendte5. En begræ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Research Foundation-Flanders (FWO) for at støtte dette arbejde (tilskudsnummer: G027815N).
Materials
| Induction of trauma | |||
| 0.9% NaCl physiologic solution | B Braun | 394496 | |
| brass weight 450g | custom made | custom made | diamter 18mm and 210 mm height |
| catheter | Terumo | Versatus-W | 26G |
| ethilon II | Ethicon | EH7824 | FS-3, 4-0, 3/8, 16mm |
| Matrass | Foam to Size | Type E | |
| Plexiglas tube | ISPA Plastics | 416564 | M1 PMMA XT GOO tube 25×19 mm (inner diamter 19 mm, minimal length of 1.50 m) |
| Preclinical CT scanner | Molecubes | X-cube | |
| Steel helmet | custom made | custom made | diameter 10 mm and 3 mm thickness |
| Vetbond Tissue Adhesive | 3M | 1469SB | |
| Vetergesic (buprenorphin) | EcuPhar | VETERG20 | 0.05 mk/kg |
| Xylocaine 2% gel | AstraZeneca | Xylocaine 2% | gel |
| Xylocaine (lidocain 2%) | Aspen/AstraZeneca | Xylocaine 2% gel | 100 μl injection |
| Diffusion MRI | |||
| Preclinical MRI acquisition software | Bruker Biospin MRI GmbH | Z400_PV51_CENTOS55 | ParaVision 5.1 MRI software |
| Preclinical MRI scanner | Bruker Biospin MRI GmbH | PharmaScan 70/16 | 7T MRI scanner |
| Quadrature volume coil | Bruker Biospin MRI GmbH | RF RES 300 1H 075/040 QSN TR | Model No: 1P T13161C3 |
| Small animal physiological monitoring unit | Rapid Biomedical | EKGHR02-0571-043C01 | Unit for respiratory monitoring |
| Water-based heating unit | Thermo Fisher Scientific | Haake S 5P | Model No: 1523051 |
| Anaesthesia | |||
| Anaesthesia movable unit | Veterenary technics | BDO – Medipass, Ijmuiden | |
| isoflurane: Isoflo | Zoetis | B506 | |
| Oxygen generator | Veterenary technics | 7F-3 | BDO – Medipass, Ijmuiden |
| Diffusion image processing | |||
| Amide | http://amide.sourceforge.net | Version 1.0.5. | Medical Imaging Data Examiner Toolbox (Loening AM, Gambhir SS, " AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis", Molecular Imaging, 2(3):131-137, 2003) |
| ExploreDTI | http://www.exploredti.com | Version 4.8.6 | Toolbox for (pre-)processing and analysis of diffusion weighted MR images (Leemans A, Jeurissen B, Sijbers J, and Jones DK. ExploreDTI: a graphical toolbox for processing, analyzing, and visualizing diffusion MR data. In: 17th Annual Meeting of Intl Soc Mag Reson Med, p. 3537, Hawaii, USA, 2009) |
| MRtrix3 | http://www.mrtrix.org | Version 3.0_RC3-86-g4b523b41 | Toolbox for (pre-)processing and analysis of diffusion weighted MR images |
References
- Carroll, L. J., et al. Systematic Review of the Prognosis After Mild Traumatic Brain Injury in Adults. Cognitive, Psychiatric, and Mortality Outcomes: Results of the International Collaboration on Mild Traumatic Brain Injury Prognosis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 95 (3), S152-S173 (2014).
- Buck, P. W. Mild Traumatic Brain Injury: A Silent Epidemic in Our Practices. Health & Social Work. 36 (4), 299-302 (2011).
- Bodanapally, U. K., Sours, C., Zhuo, J., Shanmuganathan, K. Imaging of Traumatic Brain Injury. Radiologic Clinics of North America. 53 (4), 695-715 (2015).
- Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
- Hulkower, M. B., Poliak, D. B., Rosenbaum, S. B., Zimmerman, M. E., Lipton, M. L. A Decade of DTI in Traumatic Brain Injury: 10 Years and 100 Articles Later. American Journal of Neuroradiology. 34 (11), 2064-2074 (2013).
- Hutchinson, E. B., Schwerin, S. C., Avram, A. V., Juliano, S. L., Pierpaoli, C. Diffusion MRI and the detection of alterations following traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Research. 96 (4), 612-625 (2018).
- Wallace, E. J., Mathias, J. L., Ward, L. Diffusion tensor imaging changes following mild, moderate and severe adult traumatic brain injury: a meta-analysis. Brain Imaging and Behavior. , 1-15 (2018).
- Rutgers, D. R., et al. White Matter Abnormalities in Mild Traumatic Brain Injury: A Diffusion Tensor Imaging Study. American Journal of Neuroradiology. 29 (3), 514-519 (2008).
- Bondi, C. O., et al. Found in translation: Understanding the biology and behavior of experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 58, 123-146 (2015).
- Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
- Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7 (AUG), (2016).
- Lyeth, B. G. Historical Review of the Fluid-Percussion TBI Model. Frontiers in Neurology. 7 (DEC), 1-7 (2016).
- Marmarou, A., Foda, M. A. A. -. E., van den Brink, W., Campbell, J., Kita, H., Demetriadou, K. A new model of diffuse brain injury in rats. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Heim, L. R., et al. The Invisibility of Mild Traumatic Brain Injury: Impaired Cognitive Performance as a Silent Symptom. Journal of Neurotrauma. 34 (17), 2518-2528 (2017).
- Zohar, O., Rubovitch, V., Milman, A., Schreiber, S., Pick, C. G. Behavioral consequences of minimal traumatic brain injury in mice. Acta Neurobiol Exp (Wars. 71 (1), 36-45 (2011).
- Pierpaoli, C., Basser, P. J. Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 36 (6), 893-906 (1996).
- Jensen, J. H., Helpern, J. A. MRI quantification of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis. NMR in Biomedicine. 23 (7), 698-710 (2010).
- Fieremans, E., Jens, H., Jensen, J. A. H. White matter characterization with diffusional kurtosis imaging. NeuroImage. 58, 177-188 (2011).
- Leemans, A. . Explore DTI. , (2019).
- Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis. Molecular Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
- Veraart, J., et al. Denoising of diffusion MRI using random matrix theory. NeuroImage. 142, 394-406 (2016).
- Veraart, J., Fieremans, E., Novikov, D. S. Diffusion MRI noise mapping using random matrix theory. Magnetic Resonance in Medicine. 76 (5), 1582-1593 (2016).
- Braeckman, K., et al. Dynamic changes in hippocampal diffusion and kurtosis metrics following experimental mTBI correlate with glial reactivity. NeuroImage: Clinical. 21 (August 2018), 101669 (2019).
- Jones, D. K., Knösche, T. R., Turner, R. White matter integrity, fiber count, and other fallacies: The do’s and don’ts of diffusion MRI. NeuroImage. 73, 239-254 (2013).
- . Matlab code DKI and WMTI model Available from: https://github.com/NYU-DiffusionMRI/Diffusion-Kurtosis-Imaging (2019)
