Samtidig PET / MR Imaging Under Mouse Cerebral Hypoksi-iskemi

Summary

Metoden som presenteres her bruker samtidig positronemisjonstomografi og magnetic resonance imaging. I cerebral hypoksi-ischemi-modell, dynamiske endringer i diffusjons- og glukose metabolisme forekommer i løpet av og etter skade. Den utvikler seg og uforklarlige skader i denne modellen krever samtidig erverv dersom meningsfulle multi-modale bildedata som skal anskaffes.

Abstract

Dynamiske endringer i vev vann diffusjon og glukosemetabolismen oppstå under og etter hypoksi i cerebral hypoksi-iskemi reflekterer en bioenergi forstyrrelse i berørte celler. Diffusion vektet magnetisk resonans imaging (MRI) identifiserer områder som er skadet, potensielt irreversibelt, ved hypoksi-iskemi. Endringer i glukoseutnyttelsen i det berørte vev kan påvises ved positronemisjonstomografi (PET) avbildning av 2-deoksy-2- ⁽¹⁸ F) fluor-ᴅ-glukose ^([18 F] FDG) opptaket. På grunn av den raske og variable natur av skade i denne dyremodell, må anskaffelse av begge moduser av data utføres samtidig for å korrelere menings PET og MR-data. I tillegg inter-dyr variabilitet i hypoksisk-iskemisk skade på grunn av vaskulære forskjeller begrenser evnen til å analysere multimodale data og observere endringer til en gruppe-klok tilnærming dersom data ikke er ervervet samtidig i enkelte fag. Metoden pmislikte her gjør det mulig å skaffe seg både diffusjon vektet MR og ^[18 F] FDG opptak data i samme dyret før, under og etter hypoksisk utfordring for å avhøre umiddelbare fysiologiske endringer.

Introduction

På verdensbasis er hjerneslag den nest største årsaken til død og en viktig årsak til uførhet ^1. Kaskade av biokjemiske og fysiologiske hendelser som oppstår under og akutt følgende slag hendelse skjer raskt og med implikasjoner for vev levedyktighet og til slutt utfallet ^2. Cerebral hypoksi-iskemi (HI), noe som fører til hypoksisk-iskemisk encefalopati (HIE), er anslått til å påvirke opp til 0,3% og 4% av fullbårne og premature fødsler, henholdsvis ^3,4. Dødeligheten hos spedbarn med HIE er ca 15% til 20%. I 25% av HIE overlevende, permanente komplikasjoner oppstår som følge av skaden, inkludert mental retardasjon, motoriske underskudd, cerebral parese, og epilepsi ^3,4. Tidligere terapeutiske intervensjoner har ikke vist seg verdig til adopsjon som standard vare, og konsensus har ennå ikke nådd at de mest avanserte metoder, basert på hypotermi, er effektivt redusere sykelighet ^3,5. Andre saker of contention inkluderer administrasjons av hypotermi og pasient utvalg ^seks. Dermed strategier for neuroprotection og neurorestoration er fortsatt et fruktbart område for forskning ^7.

Rottemodeller av cerebral HI har vært tilgjengelig siden 1960-tallet, og senere ble tilpasset mus ^8,9. På grunn av beskaffenheten av modellen og plasseringen av ligering, er det iboende variabilitet i resultatet på grunn av forskjell i sivile strømmen mellom ¹⁰ dyr. Som et resultat av disse modeller har en tendens til å være mer variable i forhold til lignende modeller som tilstopping av midtre cerebralarterie (MCAO). Sanntids måling av fysiologiske forandringer er vist med laser-Doppler strømningsmåling samt diffusjon-vektet ^MRI-11. Den observerte intra-dyr variasjon i cerebral blodstrøm under og rett etter hypoksi, samt i akutte utfall som infarktvolum og nevrologiskunderskudd, foreslår at samtidig kjøp og korrelasjon av multimodale data ville være gunstig.

Nylige fremskritt i simultan positronemisjonstomografi (PET) og magnetic resonance imaging (MRI) har åpnet for nye muligheter i preklinisk bilde ^12-14. De potensielle fordelene med disse hybrid, kombinerte anlegg for prekliniske anvendelser er blitt beskrevet i litteraturen ^15,16. Mens mange prekliniske spørsmål kan løses ved å avbilde et enkelt dyr sekvensielt eller med CCD separate dyregrupper, visse situasjoner – for eksempel når hver forekomst av en hendelse som hjerneslag manifesterer seg unikt, med raskt utviklende patofysiologi – gjør det ønskelig og nødvendig å bruke samtidig måling. Funksjonell neuroimaging gir et slikt eksempel, hvor samtidige 2-deoksy-2- ⁽¹⁸ F) fluor-ᴅ-glukose ^([18 F] FDG) PET og blood-oksygennivå avhengig (BOLD) MR har nylig blitt påvist i rotte whisker stimulering studerer ^14.

Her viser vi samtidig PET / MR avbildning under utbruddet av en hypoksisk-iskemisk slag der hjernen fysiologi er ikke i steady state, men i stedet er raskt og irreversibelt skiftende under hypoksisk utfordring. Endringer i vann diffusjon, målt ved MRI og kvantifisert ved den tilsynelatende diffusjonskoeffisient (ADC) avledet fra diffusjon vektet imaging (DWI), har blitt godt preget for hjerneslag i kliniske og prekliniske data ^17,18. I dyremodeller slik som MCAO, dråper diffusjon av vann i påvirkede hjernevev raskt på grunn av bioenergetisk kaskade som fører til cytotoksisk ødem ^18. Disse akutte endringer i ADC er også observert i gnagermodeller av cerebral hypoksi-iskemi ^{11,19. [18} F] FDG PET avbildning har vært brukt i slagpasienter for å vurdere endringer i lokale glucose metabolisme ^20, og et lite antall av in vivo dyrestudier har også brukt ^[18 F] FDG ^21, inkludert i den cerebrale hypoksi-ischemi-modell ^22. Generelt viser disse studiene redusert glukoseutnyttelse i iskemiske områder, selv om en studie ved hjelp av en modell med reperfusjon fant ingen sammenheng av disse metabolske forandringer med senere infarkt utvikling ^23. Dette er i motsetning til diffusjon endringer som er blitt forbundet med irreversibelt skadet kjernen ^21. Derfor er det viktig å være i stand til å oppnå den utfyllende informasjon avledet fra ^[18 F] FDG PET og DWI på en samtidig måte i løpet av utviklingen av slag, da dette er sannsynlig å gi meningsfull informasjon om skadeutviklingen, og virkningen av terapeutiske intervensjoner. Metoden vi beskriver her er lett mottakelig for bruk med en rekke PET tracere og MR sekvenser. For eksempel, ^[15 O] H ₂ O PETbildebehandling sammen med DWI og perfusjon vektet bilder (PWI) fra MR kan brukes til å utforske videre utvikling av iskemisk penumbra og validere dagens teknikker innenfor streken bildefeltet.

Protocol

Alle dyr håndtering og prosedyrer som er beskrevet her, og i henhold til forsøksdyr: Rapportering in vivo eksperimenter (kommer) retningslinjer, ble utført i samsvar med protokoller godkjent av Association for Assessment of Akkreditering av Laboratory Animal Care (AAALAC) International akkreditert Institutional Animal Care og bruk komité ved University of California, Davis. Riktig kirurgi bør ikke resultere i tegn til smerte eller ubehag i dyret, men riktige trinnene bør tas hvis disse skiltene er observert, admin…

Representative Results

Figur 1 viser resultatet av en riktig ligering av arteria carotis communis, før lukking av såret med 6-0 silkesutur. I denne metoden, data fra avbildnings er sterkt avhengig av den tidsmessige arrangement av forsøket, som i sin tur bestemmer og er også styrt av eksperimentelle begrensningene inkludert bilde-innhentingsordninger og montering av utstyr. Disse og andre hensyn er videre utforsket i diskusjonen delen. Med protokollen beskrevet her, den fysiske konfigurasjon a…

Discussion

Samtidig anatomisk MRI, og dynamisk DWI-MR og ^[18 F] FDG PET data ble vellykket kjøpt fra forsøksdyr under hypoksisk utfordring å følge vanlig halspulsåren ligation. Dette representerer en kraftig eksperimentell paradigme for multimodal avbildning av rask utvikling patofysiologien i forbindelse med iskemisk fornærmelser i hjernen, og kan lett utvides til å studere andre PET radiotracere (for eksempel markører for nevroinflammasjon) og MR-sekvenser, så vel som virkningen av intervensjons strategier un…

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)