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.
O AVC é a terceira principal causa de morte entre os americanos de 65 anos ou mais de idade 1. A qualidade de vida dos pacientes que sofrem de um acidente vascular cerebral não consegue voltar ao normal na grande maioria dos pacientes 2, que é principalmente devido à atual falta de tratamento clínico para o AVC agudo. Isto exige a compreensão dos efeitos fisiológicos de isquemia cerebral em tecido cerebral ao longo do tempo e é uma importante área de pesquisa ativa. Para este fim, o progresso experimental foi feito com ratos como modelo pré-clínico de acidente vascular cerebral, particularmente, através de métodos não-invasivos, como 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG), juntamente com Positron Emission Tomography (PET) 3,10,17. Aqui apresenta-se uma estratégia para induzir isquemia cerebral em ratos por oclusão da artéria cerebral média (MCAO) que imita isquemia cerebral focal em seres humanos, e imagiologia seus efeitos ao longo de 24 h utilizando FDG-PET acoplado com tomografia computorizada de raios X (CT) com um Albira PInstrumento ET-CT. A voi atlas modelo foi posteriormente fundida com os dados de ratos cerebrais para permitir uma análise imparcial da suas sub-regiões do cérebro e 4. Além disso, um método para a visualização 3D da evolução no tempo de FDG-PET-CT é apresentado. Em resumo, nós apresentamos um protocolo detalhado para iniciar, quantificar e visualizar um evento induzido derrame isquêmico em ratos Sprague-Dawley vivendo em três dimensões usando FDG-PET.
O AVC é uma das principais causas de morte nos países desenvolvidos, e é diretamente responsável pela morte de 1 em cada 19 americanos 1. Estima-se que cerca de 795.000 americanos experimentam AVC a cada ano, dos quais 87% são de natureza isquêmica 5. Durante um evento isquémico, fornecimento contínuo de oxigénio e glicose para os neurónios corticais esteja gravemente comprometida induzir um ambiente hipóxico, que leva à diminuição da função celular nas regiões do cérebro afectadas. Dependendo da gravidade do acidente vascular cerebral, o fluxo sanguíneo cerebral e a absorção de glicose varia espacialmente e temporalmente.
Os danos causados por acidente vascular cerebral podem ser identificadas através de métodos não-invasivos, como a 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG) Positron Emission Tomography 6. FDG é um análogo da glicose em que o grupo hidroxilo na posição 2 'foi substituído pelo emissor de positrões isótopo 18F. 18F é advantageous devido à sua, meia-vida longa 110 minutos, permitindo que seja usada para detectar o consumo de glucose no cérebro. FDG PET produz um mapa de alta resolução quantitativa do consumo desoxiglucose no interior do cérebro como 18 F 7 tende a acumular-se nas regiões de consumo de glicose, indicando que tais tecidos são altamente activos metabolicamente 8. A 18 F núcleo sofre decaimento beta, liberando um pósitron, que aniquila rapidamente com um elétron nas proximidades, produzindo raios gama, que são detectadas pelo instrumento. Scans FDG PET pode ser repetido no mesmo indivíduo com pelo menos 10 18 F meias-vidas, ou cerca de 18 horas, entre scans, proporcionando, assim, uma forma de estudar mudanças na atividade cerebral ao longo do tempo em um mesmo indivíduo.
Modelos animais pré-clínicos, tais como ratos, são frequentemente utilizados para avaliar os efeitos de derrames e da eficácia dos tratamentos para o AVC. Dado que a FDG PET é não-invasiva, que pode ser usado para mediros efeitos de derrame ao longo do tempo, sem perturbar a fisiologia do animal. Dependendo do local do evento acidente vascular cerebral, diferentes regiões do cérebro pode ser afectada. No entanto, com pequenos animais tais como ratos, definir manualmente e quantificar a atividade em regiões específicas do cérebro de ratos pode ser um desafio. A fim de comparar a actividade metabólica de glucose em regiões específicas do cérebro de rato ao longo do tempo, os volumes de interesse (ISV) para ser quantificado deve ser consistentemente delineados. Um atlas precisas do cérebro de rato foi desenvolvida para aliviar este problema 9, e foi convertida para a forma digital para uso na quantificação dos dados FDG-PET pré-clínicos. Aqui apresentamos um método para classificar os danos nos tecidos do curso em uma forma metódica consistente. O método detalha o procedimento cirúrgico para iniciar isquemia cerebral em um modelo animal, quantificando cérebro sub-regiões específicas afectadas por acidente vascular cerebral, e produzir uma visualização tridimensional da extensão e localização do AVCdanos do tecido, utilizando as técnicas e ferramentas apropriadas. Usando a metodologia descrita no presente estudo, os investigadores podem iniciar de forma consistente isquemia cerebral em ratos, realizar imagiologia de PET, e quantificar as alterações na FDG regiões do cérebro utilizando definidos em modelos pré-clínicos de AVC ao longo do tempo.
Aqui apresenta-se uma estratégia para a indução detalhada acidente vascular cerebral, a imagiologia de PET, e cérebro medição sub-região padronizada de danos nos tecidos em ratos Sprague-Dawley. Imagiologia de pequenos modelos animais, especialmente na área de acidente vascular cerebral é benéfica, tal como o tratamento de acidente vascular cerebral para ser eficaz depende de um tempo extremamente curto terapêutico. Aqui apresentamos um modelo de lesão e reperfusão, em que o curso foi induzida através de uma oclusão da artéria cerebral média, e de imagem realizados utilizando FDG com PET, ao lado de um CT de raios-X para referência anatômica. Medições regimentada de FDG dentro do cérebro sub-regiões foi possível graças ao mapeamento preciso das atlas modelo VOI para o cérebro de rato dentro do software de análise de imagem PMOD. Valores Raciometrico FDG foram coletadas através da divisão do cérebro correspondente sub-regiões em hemisférios opostos, que permite uma medição direta de dano enquanto normalizar as variações de sinal global de FDG PET entre diferentes animais e tempo points. Estas medições são consistentes com os efeitos esperados de acidente vascular cerebral no cérebro de rato, demonstrando de forma consistente, uma perda significativa de tecido cerebral captação de glicose em certas regiões do hemisfério ipsilateral. Esta metodologia tem o potencial para aumentar a nossa capacidade para comparar grupos de animais submetidos a muitos tipos de trauma cerebral, acidente vascular cerebral isquémico, incluindo dados de FDG PET. Ao padronizar os volumes a serem quantificados através hemisférios do cérebro e em vários animais, este método gera medidas consistentes de diminuição da absorção de glicose do tecido. Observe que outros marcadores de PET com captação no cérebro, como o 11 C-raclopride por receptores D2, pode ser utilizado com este protocolo, bem 21. Finalmente, descrevemos um método para visualizar um acidente vascular cerebral isquêmico em um cérebro de rato dentro de seu esqueleto com alta precisão anatômica em três dimensões. Desde prejuízo fisiológico e funcional induzida por acidente vascular cerebral pode ser transitório ou permanente, este método não-invasivo de imagempermite avaliar dano cerebral no mesmo animal ao longo de um período de tempo. Ele fornece uma maneira de marcar neurologicamente os ratos, bem avaliar os déficits neurológicos de curto e longo prazo, no mesmo animal. A função do modelo do software PMOD permite aos pesquisadores com uma certa quantidade de precisão para mapear a área da lesão e, talvez, se correlacionam com sequelas neurológicas e padrões de comportamento.
Para a quantificação precisa dos danos AVC por sub-região do cérebro, o passo fundamental é o alinhamento dos dados de PET com o atlas do cérebro de rato dentro PMOD. Inconsistências no alinhamento pode levar à quantificação incorreta de sub-regiões do cérebro afetadas pela isquemia. Tal como descrito no passo 4.1.7 protocolo, é possível utilizar as glândulas Harderiana como pontos de referência para o alinhamento com o atlas do cérebro PET dados experimentais. Efeitos de volume parcial (PVE) são uma preocupação durante este tipo de análise, e irá limitar a resolução global da estrutura do cérebro quepode ser trabalhada. Transbordamento de sinal pode ocorrer entre os volumes adjacentes, ou a própria ISV pode ser demasiado pequena em relação à resolução do instrumento, reduzindo assim a precisão do método quantitativo 22. O sistema Albira PET utilizado nestes estudos é equipado com três anéis detectores e produz uma resolução de 1,1 mm, o que evoluíram a partir de um correspondente sistema de anel que alcançou 1,5 milímetros 23. Buvat e co-trabalhadores notar que PVE irá afectar as medições de tumores com um diâmetro menor do que a resolução do sistema de 2-3x na metade completa largura máxima (FWHM), o que corresponderia a um volume esférico de 5,6-18,9 mm 3 para a 3- anel Albira. Casteels et ai. Referido recentemente que volumes superiores a 8 mm 3 terá efeito de volume parcial mínimas para exame de PET pré-clínicos modernos com resolução no intervalo de 1,1-1,3 mm, 24. Os atlas Schiffer foi cuidadosamente construída com esses parâmetros em mente, e utiliza 58 VOIs, dos quais 13 estão abaixo do limiar de 8 mm 3. Estes incluem o VOIs para hemisférios direito e esquerdo do córtex pré-frontal medial (6,3 milímetros 3, R / L), o Par A Cortex (7,6 milímetros 3, R / L), o colículo superior (7,1 milímetros 3, R / L) , o VTA (5,5 mm3, R / L), colículo inferior (5.7 mm 3 R / L), glândula pituitária (5,9 mm3), e o fluxo de sangue CB (5,1 mm3). Além disso, medições do córtex frontal (1,4 mm3 R / G) será o mais susceptível a PVE devido ao seu pequeno tamanho.
Estudos em animais maiores, como os ratos, os quais têm um correspondente aumento no tamanho da anatomia, irá ter um maior número de sub-regiões do cérebro que pode ser quantificada de forma fiável em comparação com os ratinhos. No entanto, estes métodos são aplicáveis a imagem do cérebro em ratos, que têm a sua própria atlas cerebral disponível em PMOD que é composto por 18 sub-regiões que sejamdimensionado para minimizar PVE. Além disso, utilizando PET para identificar regiões do cérebro ainda menores do que são descritas neste estudo podem exigir o uso de metodologia alternativa. O método aqui descrito permite a quantificação rotina rígida e eficiente de danos nos tecidos do cérebro ao longo do tempo, segmentada por sub-regiões do cérebro, em ratos vivos. Lesão por isquemia é demonstrado aqui como um exemplo, mas a metodologia apresentada para a quantificação de alterações na actividade cerebral pode ser aplicado a qualquer outra condição que afecte o cérebro de rato.
Em conclusão, os dados de FDG-PET-CT de animais de pequeno porte pode ser adquirida de um modo não-invasivo e económica, e pode ser convenientemente utilizada para imagiologia pequeno animal numa forma quantitativa. Utilizando a ferramenta de modelo Schiffer do programa PMOD, áreas isquêmicas do cérebro pode ser delineada e os dados PET medido. Esta é uma ferramenta poderosa para o estudo futuro da reorganização cerebral, reparo e neurogênese após isquemia cerebral que irá promover development de neuro-terapias de pacientes com AVC com deficiência. Esta visualização também irá ser particularmente útil na avaliação de outros casos de trauma cerebral, em que o dano no tecido possa ser alinhada de modalidades de imagens separadas.
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 |