Kombineret Nær-infrarød Fluorescent Imaging og Micro-computertomografi for Direkte Visualisering Cerebral tromboemboli
Summary
Denne protokol beskriver anvendelsen af kombineret nær-infrarødt fluorescerende (NIRF) billedbehandling og mikro-computertomografi (microCT) til visualisering cerebral tromboemboli. Denne teknik tillader kvantificering af trombe byrde og evolution. Den NIRF imaging teknik visualiserer fluorescensmærkede blodprop i udskårne hjerne, mens microCT teknik visualiserer blodprop inde levende dyr ved hjælp af guld-nanopartikler.
Abstract
Direkte trombe imaging visualiserer den egentlige årsag til tromboembolisk infarkt. At kunne billedet trombe direkte giver langt bedre undersøgelse af slagtilfælde end at lægge indirekte målinger, og vil være en kraftig og robust vaskulær forskning værktøj. Vi bruger en optisk billeddannelse tilgang, etiketter tromber med en molekylær billeddannelse blodprop markør – en Cy5.5 nær-infrarødt fluorescerende (NIRF) probe, der er kovalent bundet til fibrinstrengene af thromben af fibrin-tværbinding enzymatiske virkning af aktiveret koagulationsfaktor Xllla under processen med koagel modning. En mikro-computertomografi (microCT) -baseret tilgang bruger trombe-søger guld nanopartikler (AuNPs) funktionaliserede at målrette hovedbestanddelen af blodprop: fibrin. Dette papir beskriver en detaljeret protokol for den kombinerede in vivo microCT og ex vivo NIRF billeddannelse af tromboemboli i en musemodel af embolisk slagtilfælde. Vi viser, at in vivo </ em> microCT og fibrin-målrettet glycol-chitosan AuNPs (FIB-GC-AuNPs) kan anvendes til at visualisere både in situ tromber og cerebral embolisk tromber. Vi beskriver også anvendelsen af in vivo microCT-baserede direkte trombeimagografimiddel til serielt overvåge de terapeutiske virkninger af vævsplasminogenaktivator-medieret trombolyse. Efter den sidste billeddannelse session, viser vi ved ex vivo NIRF billeddannelse omfanget og fordelingen af resterende tromboemboli i hjernen. Endelig beskriver vi kvantitativ billede analyser af microCT og NIRF billeddata. Den kombinerede teknik med direkte trombeimagografimiddel tillader to uafhængige fremgangsmåder til thrombe-visualisering, der skal sammenlignes: arealet af trombe-relaterede fluorescerende signal på ex vivo NIRF billeddannelse vs. mængden af hyperdense microCT tromber in vivo.
Introduction
En i 6 personer vil have et slagtilfælde på et tidspunkt i deres levetid. Iskæmisk slagtilfælde er langt den mest almindelige slag type og tegner sig for omkring 80 procent af alle slagtilfælde sager. Fordi tromboemboli forårsager størstedelen af disse iskæmiske slagtilfælde, er der en stigende interesse for direkte trombeimagografimiddel.
Det blev anslået, at omkring 2 millioner hjerneceller dør under hvert minut af midterste cerebral arterie okklusion 1, der fører til sloganet "Tid er Brain". Computertomografi (CT) undersøgelser kan gøres hurtigt, og er bredt tilgængelige; af denne grund, CT forbliver billeddannelse af valg for den første diagnose og behandling af hyperakut iskæmisk slagtilfælde. CT er særligt værdifuldt for at informere de kritiske tidlige beslutninger: administrere vævsplasminogenaktivator (TPA) til trombolyse og / eller triaging til endovaskulær blodprop-hentning 2. Nuværende CT-baserede trombeimagografimiddel kan imidlertid ikke serielt spore cerebral tromboemboli in vivo, fordi det bruger indirekte metoder til at demonstrere tromber: efter opacifikation af blodet pool ved jodholdige modsætning hertil er den tromber demonstreret som fyld fejl i karrene. Der er dosisgrænser og risici forbundet med den gentagen administration af jodholdige kontrastmidler, som udelukker gentagne billeddannelse af tromber på denne måde.
Således er der et kritisk behov for en direkte billeddannelse metode til cerebral thromber hos patienter med slagtilfælde, for at tillade en hurtigere og bedre behandling beslutninger, der skal foretages. Vi foreslår at opnå dette ved at øge værdien af CT, den aktuelt anvendte frontlinjen afbildningsmodalitet til slagtilfælde, ved anvendelse af en trombe-søger nanopartikelformige molekylær billeddannelse agent.
Vi har vist anvendelsen af dette middel med micro-computertomografi (microCT), en høj opløsning ex vivo eller in vivo (små dyr) afbildning version af CT, der tillader erhvervelse hurtige data <sup> 3,4. Selv med den relativt dårlige bløde væv kontrast til rådighed for små dyr microCT (meget værre end tilgængelige fra human størrelse scannere), det billeddannende agent var i stand til at søge og markere tromber ved at gøre dem hyperdense på CT, en 'tæt fartøj tegnet »forstærket af molekylær billeddannelse.
Som supplement til CT-teknik, har vores gruppe tidligere udviklet en optisk direkte trombe imaging teknik hjælp Cy5.5 nær-infrarødt fluorescerende (NIRF) sonde til at visualisere cerebral trombe byrde 5. Dette er en ex vivo teknik på obduktioner hjerner, men er meget følsom, og tjener til at bekræfte in vivo data i indstillingen forskning.
Under både CT og NIRF baseret trombe-søger billeddannelsesteknikker giver os mulighed for at sammenligne disse teknikker til at opnå meget informative data om den rolle, thrombus og trombeimagografimiddel i processen med iskæmisk slagtilfælde udvikling.
Here, beskriver vi en detaljeret protokol af et kombineret teknik med in vivo microCT og ex vivo NIRF billeddannelse til direkte visualisere tromboemboli i en musemodel af embolisk slagtilfælde. Disse enkle og robuste metoder er anvendelige til at fremme vores forståelse af trombotiske sygdomme ved at muliggøre nøjagtige in vivo vurdering af trombe byrde / distribution og karakterisering af dynamisk trombe evolution på en hurtig og kvantitativ måde in vivo under behandlingen efterfulgt af ex vivo-data, der tjener som en kontrol og reference standard til bekræftelse af in vivo resultater billeddannelse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi demonstrerede anvendelsen af to komplementære molekylære billeddannelsesteknikker til direkte trombeimagografimiddel i forsøgsmodeller af embolisk slagtilfælde: en fibrin målrettet guld nanopartikel (FIB-GC-AUNP) til in vivo microCT-baserede billeddannelse, og en FXIIIa målrettet optisk afbildning probe for ex vivo fluorescerende billeddannelse.
Efter intravenøs administration af FIB-GC-AuNPs, tromber blev synlige til CT som tætte strukturer, forårsaget af parti…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Korea Healthcare Technology R & D Project, Ministeriet for Sundhed og Velfærd (HI12C1847, HI12C0066), Bio & Medical Technology Development Program (2010 til 0.019.862) og Global Research Lab (GRL) program (NRF-2015K1A1A2028228) af National Research Foundation, finansieret af den koreanske regering.
Materials
| Machines | |||
| microCT | NanoFocusRay, JeonJu, Korea | NFR Polaris-G90 | |
| NIRF imaging system | Roper-scientific,Tucson, AZ | coolsnap-Ez | |
| Laser Doppler flowmeter | Perimed, Stockholm, Sweden | PeriFlux System 5000 | |
| Surgical microscope | Leica Microsystems, Seoul, Korea | EZ4HD | |
| Inhalation anesthesia machine | PerkinElmer, Massachusetts, USA | XGI-8 | |
| Software | |||
| NFR control | NanoFocusRay, JeonJu, Korea | NFR Polaris-G90 | microCT control software |
| Lucion | Infinitt, Seoul, Korea | Lucion | 3D render imaging software |
| Lab chart 7 | ADInstruments, Colorado, USA | Lab chart 7 | rCBF |
| Image J software | Wanye Rasband, NIH, USA | 1.49d | imaging analysis |
| Devices/Instruments | |||
| Infusion pump | Harvard, Massachusetts, USA | pump 22(55-2226) | |
| Homeothermic blanket | Panlab, Barcelona, Spain | HB101 | |
| Pocket cautery | Daejong, Seoul, Korea | DJE-39 | |
| Brain matrice | Ted pella, CA, USA | 15003 | coronal section |
| PE-50 tubing | Natsume, Tokyo, Japan | SP-45(PE-50) | I.D. 0.58 mm O.D. 0.96 mm |
| PE-10 tubing | Natsume, Tokyo, Japan | SP-10(PE-10) | I.D. 0.28mm O.D. 0.61 mm |
| 30 gauge needle | sungshim-medical, Seoul, Korea | ||
| Syringe | CPL-medical, Ansan, Korea | 1 & 3 cc | |
| Gauze | Panamedic, Cheonan, Korea | ||
| Tape | Scotch, Seoul, Korea | 3M-810 | |
| Micro forceps | Fine Science Tools, Vancouver, Canada | 11253-27 | Dumont #L5 |
| Micro scissor | Fine Science Tools, Vancouver, Canada | 15000-03 | Vannas spring |
| Scissor | Fine Science Tools, Vancouver, Canada | 14084-08 | 8.5 cm |
| Black silk suture | Ailee, Busan, Korea | SK6071, SK728 | 6-0 and 7-0 |
| Reagents | |||
| meloxicam | Yuhan, Seoul, Korea | ||
| vet ointment | Novartis, Basel, Swiss | ||
| 10% Povidone-iodine (betadine) | Firson, Cheon-an, Korea | ||
| FeCl3 | Sigma, Missouri, United States | 157740-5G | |
| TTC | Amresco, Ohio, USA | 0765-100g | |
| Isoflurane | Hana-Pham, Gyeonggi, Korea | Ifran | 100 mL |
| PBS | Welgene, Daegu, Korea | LB001-02 | 500 mL |
| Gold nanoparticles | Synthesis | ||
| C15 optical agent | Synthesis | ||
| Tissue plasminogen activator | Boehringer Ingelheim, Biberach, Germany | rtPA(actilyse) | 20 mg |
| Normal saline | Daihan Pham, Seoul, Korea | 48N3AF3 | 20 mL |
Riferimenti
- Saver, J. L. Time is brain–quantified. Stroke. 37 (1), 263-266 (2006).
- Latchaw, R. E., et al. Recommendations for imaging of acute ischemic stroke: a scientific statement from the American Heart Association. Stroke. 40 (11), 3646-3678 (2009).
- Kim, D. E., et al. Hyperacute direct thrombus imaging using computed tomography and gold nanoparticles. Ann Neurol. 73 (5), 617-625 (2013).
- Kim, J. Y., et al. Direct Imaging of Cerebral Thromboemboli Using Computed Tomography and Fibrin-targeted Gold Nanoparticles. Theranostics. 5 (10), 1098-1114 (2015).
- Kim, D. E., et al. Direct thrombus imaging as a means to control the variability of mouse embolic infarct models: the role of optical molecular imaging. Stroke. 42 (12), 3566-3573 (2011).
- Parasuraman, S., Raveendran, R., Kesavan, R. Blood sample collection in small laboratory animals. J Pharmacol Pharmacother. 1 (2), 87-93 (2010).
- Durukan, A., Tatlisumak, T., Fisher, M. Animal models of ischemic stroke. Handbook of clinical neurology: Stroke Part 1: Basic and epidemiological aspects.Volume 92. 92, 43-66 (2009).
- Overoye-Chan, K., et al. EP-2104R: a fibrin-specific gadolinium-Based MRI contrast agent for detection of thrombus. J Am Chem Soc. 130 (18), 6025-6039 (2008).
- Kim, D. E., Schellingerhout, D., Jaffer, F. A., Weissleder, R., Tung, C. H. Near-infrared fluorescent imaging of cerebral thrombi and blood-brain barrier disruption in a mouse model of cerebral venous sinus thrombosis. J Cereb Blood Flow Metab. 25 (2), 226-233 (2005).
- Tung, C. H., et al. Novel factor XIII probes for blood coagulation imaging. Chembiochem. 4 (9), 897-899 (2003).
- Robinson, B. R., Houng, A. K., Reed, G. L. Catalytic life of activated factor XIII in thrombi. Implications for fibrinolytic resistance and thrombus aging. Circulation. 102 (10), 1151-1157 (2000).
- Reed, G. L., Houng, A. K. The contribution of activated factor XIII to fibrinolytic resistance in experimental pulmonary embolism. Circulation. 99 (2), 299-304 (1999).
- Sun, I. C., et al. Biocompatible glycol chitosan-coated gold nanoparticles for tumor-targeting CT imaging. Pharm Res. 31 (6), 1418-1425 (2014).
- Celi, A., et al. Thrombus formation: direct real-time observation and digital analysis of thrombus assembly in a living mouse by confocal and widefield intravital microscopy. J Thromb Haemost. 1 (1), 60-68 (2003).
- Chen, I. Y., Wu, J. C. Cardiovascular molecular imaging: focus on clinical translation. Circulation. 123 (4), 425-443 (2011).
- Wintermark, M., et al. Imaging recommendations for acute stroke and transient ischemic attack patients: a joint statement by the American Society of Neuroradiology, the American College of Radiology and the Society of NeuroInterventional Surgery. J Am Coll Radiol. 10 (11), 828-832 (2013).
- Weissleder, R., Tung, C. H., Mahmood, U., Bogdanov, A. In vivo imaging of tumors with protease-activated near-infrared fluorescent probes. Nat Biotechnol. 17 (4), 375-378 (1999).
- Narayanan, S., et al. Biocompatible magnetite/gold nanohybrid contrast agents via green chemistry for MRI and CT bioimaging. ACS Appl Mater Interfaces. 4 (1), 251-260 (2012).
- Amendola, V., et al. Magneto-plasmonic Au-Fe alloy nanoparticles designed for multimodal SERS-MRI-CT imaging. Small. 10 (12), 2476-2486 (2014).
- Zhu, J., et al. Synthesis of Au-Fe3O4 heterostructured nanoparticles for in vivo computed tomography and magnetic resonance dual model imaging. Nanoscale. 6 (1), 199-202 (2014).
