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.
שבץ הוא הגורם המוביל השלישי למוות בקרב אמריקאים גיל 65 ומעלה 1. איכות חיים של חולים הסובלים משבץ מוחי לא מצליחה לחזור לשגרה ברוב גדול של חולים 2, שהוא בעיקר בגלל חוסר הנוכחי של טיפול הקליני לשבץ חריף. זה מחייב הבנת ההשפעות הפיזיולוגיות של איסכמיה מוחית על רקמת המוח לאורך זמן והוא אזור מרכזי של מחקר פעיל. לצורך זה, התקדמות ניסוי נעשתה שימוש בחולדות כמודל פרה-קליני עבור שבץ, במיוחד, תוך שימוש בשיטות בלתי פולשניות כגון F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) בשילוב עם פוזיטרון פליטת פוזיטרונים (PET) הדמיה 3,10,17. כאן אנו מציגים אסטרטגיה לגרימת איסכמיה מוחית בחולדות על ידי חסימת עורק המוח אמצעית (MCAO) שאיסכמיה מוחית מחקה מוקדה בבני אדם, והדמית השפעותיה על 24 שעות באמצעות FDG-PET בשילוב עם טומוגרפיה ממוחשבת X-ray (CT) עם Albira Pמכשיר ET-CT. אטלס תבנית VOI היה התמזגו לאחר מכן לנתונים עכברוש המוחין כדי לאפשר ניתוח משוחד של המוח ותת האזורים שלה 4. בנוסף, שיטה להדמיה 3D של קורס זמן FDG-PET-CT מוצגת. לסיכום, אנו מציגים פרוטוקול מפורט לייזום, לכימות, ולדמיין אירוע שבץ איסכמי נגרם בעכברוש Sprague-Dawley המתגורר בשלושה ממדים באמצעות FDG-PET.
שבץ הוא אחד הגורמים המובילים לתמותה במדינות מפותחות, והוא אחראי באופן ישיר למותם של 1 מתוך 19 אמריקאים 1. הערכה הוא כי כ 795.000 אמריקאים חווים שבץ מדי שנה, מתוכם 87% מאלה הם איסכמי בטבע 5. במהלך אירוע איסכמי, אספקה רציפה של חמצן וגלוקוז לתאי העצב בקליפת המוח נפגעת קשה גרימת סביבת חוסר חמצן, מה שמוביל לירידה בתפקוד סלולארי באזורים במוח שנפגעו. בהתאם לחומרה של האירוע המוחי, זרימת דם במוח וספיגת הגלוקוז משתנים מרחב ובזמן.
ניתן לזהות נזק שייגרם עקב שבץ באמצעות שיטות בלתי פולשניות, כגון F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) Positron Emission טומוגרפיה 6. FDG הוא אנלוגי גלוקוז שבו קבוצת הידרוקסיל בעמדת 2 הוחלפה בפוזיטרונים פולטות איזוטופ 18 F. 18 F הוא advantageous בשל זמן מחצית החיים, הארוכים שלה 110 דקות, המאפשר לה לשמש כדי לזהות צריכת הגלוקוז במוח. FDG PET מייצרת מפה ברזולוציה גבוהה הכמותית של צריכת deoxyglucose בתוך המוח 7 18 F נוטה להצטבר באזורים של צריכת סוכר גבוהה, מצביעה על כך שרקמות כאלה הן מאוד מטבולית פעילה 8. גרעין F 18 עובר-התפרקות בטא, שחרור פוזיטרונים, שמהירות משמידה עם אלקטרון סמוך, הפקת קרני גמא, המתגלים על ידי המכשיר. ניתן לחזור על סריקות FDG PET באותו האדם עם 10 18 לפחות מחצית חיים F, או כ -18 שעות, בין סריקות, ובכך לספק דרך ללמוד את השינויים בפעילות המוח לאורך זמן באותו האדם.
מודלים של בעלי חיים פרה-קליניים, כגון חולדות, משמשים לעתים קרובות כדי להעריך את ההשפעות של שבץ והיעילות של טיפולים בשבץ. מאז FDG PET אינה פולשני, ניתן להשתמש בו כדי למדודאת ההשפעות של שבץ מוחי לאורך זמן מבלי לשבש את הפיסיולוגיה של בעלי החיים. בהתאם למיקום אירוע השבץ, אזורים שונים של המוח עשויים להיות מושפעים. עם זאת, עם בעלי חיים קטנים כגון חולדות, באופן ידני הגדרה וכימות פעילות באזורים מסוימים של מוח החולדה יכולה להיות מאתגר. על מנת להשוות את פעילות חילוף חומרים של גלוקוז באזורים מסוימים של מוח החולדה לאורך זמן, כרכים של עניין (VOI) ללכמת חייבים להיות מסומן באופן עקבי. אטלס מדויק של מוח החולדה פותח כדי להקל על בעיה זו 9, והוסב לצורה דיגיטלית לשימוש בכימות של נתונים FDG-PET פרה-קליניים. כאן אנו מציגים שיטה לסווג נזק לרקמות שבץ באופן עקבי, שיטתי. השיטה מפרטת את ההליך כירורגי לייזום איסכמיה מוחית במודל חיה, כימות תת-אזורים ספציפיים במוח מושפע מאירוע מוחי, ולייצר שלוש הדמיה ממדית של ההיקף ומיקום של אירוע מוחינזק לרקמות תוך שימוש בטכניקות ובכלים המתאימים. באמצעות המתודולוגיה שתוארה במחקר זה, חוקרים יכולים באופן עקבי ליזום איסכמיה מוחית בחולדות, לנהל הדמיה PET, ולכמת שינויים בספיגת FDG באמצעות אזורים במוח שהוגדרו במודלים פרה-קליניים שבץ לאורך זמן.
כאן אנו מציגים אסטרטגיה מפורטת לזירוז שבץ, הדמיה PET, ומדידה תת-אזור סטנדרטי מוח של נזק לרקמות בSprague-Dawley חולדות. הדמיה של מודלים של בעלי חיים קטנים, במיוחד באזור של שבץ היא מועילה, כטיפול בשבץ מוחי על מנת להיות יעיל תלוי בזמן טיפולי קצר ביותר. כאן אנו מציגים מודל הפציעה reperfusion, בי השבץ היה מושרה באמצעות חסימה בעורק המוח האמצעי, והדמיה שנערכה באמצעות FDG עם PET, לצד CT רנטגן להתייחסות אנטומיים. מדידות מאורגנות של ספיגת FDG בתוך תת-אזורים במוח התאפשרה על ידי מיפוי מדויק של אטלס תבנית VOI על מוח החולדה בתוך תוכנת ניתוח תמונת PMOD. ערכי ratiometric FDG נאספו על ידי חלוקת משנה אזורים במוח המקבילה באונות מנוגדות, המאפשר מדידה ישירה של נזק תוך נרמול לוריאציות באות FDG PET הגלובלי בין בעלי חיים השונים וp הזמןoints. מדידות אלה עולות בקנה אחד עם את ההשפעה הצפויה של שבץ במוח החולדה, מפגינים באופן עקבי, אובדן משמעותי של ספיגת הגלוקוז רקמת המוח באזורים מסוימים של חצי הכדור ipsilateral. יש מתודולוגיה זו הפוטנציאל להגדיל את היכולת שלנו כדי להשוות ערכות נתונים FDG PET של בעלי חיים שעברו סוגים רבים של טראומה מוחית, כוללים שבץ איסכמי. על ידי סטנדרטיזציה הכרכים שיש לכמת ברחבי ההמיספרות של המוח ועל פני בעלי חיים רבים, בשיטה זו יוצרת מדידות של ספיגת הגלוקוז רקמת ירידה עקביות. שים לב שקליעים נותבים PET אחרים עם ספיגת המוח, כמו 11 C-raclopride לקולטנים D2, ניתן להשתמש בפרוטוקול זה, כמו גם 21. לבסוף, אנו מתארים שיטה לדמיין שבץ איסכמי במוח חולדה בתוך השלד שלה עם דיוק אנטומי גבוה בשלושה ממדים. מאז ירידת ערך פיזיולוגית ותפקודי תוצאת המשבץ מוחית יכול להיות חולפת או קבוע, שיטה לא פולשנית של הדמיהמאפשר לחוקרים להעריך את הנזק מוחי באותה החיה על פני תקופה של זמן. הוא מספק דרך להבקיע נוירולוגית החולדות, כמו גם להעריך גירעונות נוירולוגיות טווח קצר וארוך באותו בעלי החיים. פונקצית התבנית של תוכנת PMOD מאפשרת לחוקרים עם כמות מסוימת של דיוק כדי למפות את אזור פציעה ואולי כדי לתאם סיבוכי נוירולוגים ודפוסי התנהגות.
לכימות מדויק של נזק על ידי שבץ subregion המוח, צעד המפתח הוא יישור של נתוני PET עם אטלס מוח חולדה בתוך PMOD. חוסר עקביות ביישור יכול להוביל לכימות נכון של אזורי משנה המוח המושפעים מאיסכמיה. כפי שתואר בשלב הפרוטוקול 4.1.7, אפשר להשתמש בבלוטות harderian כציוני דרך ליישור אטלס המוח עם נתונים PET ניסיוניים. השפעות נפח חלקי (PVE) הן דאגה במהלך ניתוח מסוג זה, ותגבלנה את הרזולוציה הכוללת של מבנה המוח שיכול להיות צילם. גלישת האות עלולה להתרחש בין כרכים סמוכים, או VOI עצמו עשוי להיות קטן מדי ביחס לרזולוצית המכשיר, ובכך להקטין את דיוק כמותי של השיטה 22. מערכת Albira PET משמשת במחקרים אלה מצוידת בשלוש טבעות גלאי ומניבה ברזולוציה של 1.1 מ"מ, אשר התפתח ממקביל מערכת אחת-טבעת שהשיגה 1.5 מ"מ 23. Buvat ועמיתים לעבודה לציין כי PVE ישפיע מדידות של גידולים בקוטר של פחות מ 2-3x הרזולוציה המערכת במחצית רוחב מרבי מלאה (FWHM), שהיה מתאים לנפח כדורי של 5.6-18.9 מ"מ 3 ל3- טבעת Albira. Casteels et al., הצהיר לאחרונה כי כרכים גדולים מ 8 מ"מ 3 יהיו השפעות נפח חלקיות מינימליות לסורקי PET פרה-קליניים מודרניים עם רזולוציה בטווח של 1.1-1.3 מ"מ 24. האטלס שיפר כבר נבנה בקפידה עם הפרמטרים האלה בחשבון, ומנצל 58 VOIs, מתוכם 13 בסתיו מתחת לסף 8 מ"מ 3. אלה כוללים את VOIs לימין ושמאל ההמיספרות של קליפת מוח הקדם חזיתית המדיאלי (6.3 מ"מ 3, R / L), Cortex Par (7.6 מ"מ 3, R / L), colliculus מעולה (7.1 מ"מ 3, R / L) , VTA (5.5 מ"מ 3, R / L), colliculus הנחות (5.7 מ"מ 3, R / L), בלוטת יותרת המוח (5.9 מ"מ 3), וזרימת דם CB (5.1 מ"מ 3). בנוסף, מדידות של קליפת המוח הקדמי (1.4 מ"מ 3 R / L) תהיה הרגישים ביותר לPvE בשל גודלו הקטן.
מחקרים בבעלי חיים גדולים יותר כמו חולדות, אשר יש לי גידול מקביל בגודל של האנטומיה, יהיו מספר גדול יותר של תת-אזורים במוח שעלול להיות אמין לכמת בהשוואה לעכברים. עם זאת, שיטות אלו חלות על הדמיה מוחית בעכברים, שבו יש אטלס שלהם פנוי במוח בPMOD שמורכב מאזורי המשנה 18 שגודל למזער PVE. יתר על כן, באמצעות PET לזהות אזורים במוח אפילו קטנים יותר ממתוארים במחקר זה עשוי לדרוש שימוש במתודולוגיה חלופית. השיטה המתוארת כאן מאפשרת כימות מאורגנת ויעילה של נזק מוחי רקמה לאורך זמן, בפילוח לפי subregion המוח, בחולדות חיות. פגיעה בגוף עקב איסכמיה מודגמת כאן כדוגמא, אבל המתודולוגיה שהוצגה לכימות של שינויים בפעילות המוח יכולה להיות מיושמת על כל מצב אחר הפוגע במוח החולדה.
לסיכום, נתוני FDG-PET-CT של בעלי חיים קטנים ניתן לרכוש באופן בלתי פולשני וחסכוני, וניתן להשתמש בו בנוחות עבור הדמיה חיה קטנה בצורה כמותית. ניצול כלי התבנית שיפר של תכנית PMOD, אזורי איסכמי במוח יכולים להיות שמסומן ונתוני PET נמדדו. זה הוא כלי רב עוצמה למחקר העתידי של ארגון מחדש במוח, תיקון, וneurogenesis לאחר איסכמיה מוחית שתקדם developmeNT של נוירו-טיפולים של חולי שבץ נכים. הדמיה זו תהיה גם שימושית במיוחד בהערכת מקרים אחרים של טראומה מוחית, שבו הנזק לרקמות יכולות להיות מיושרות משיטות הדמיה נפרדות.
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 |