Gleichzeitige PET / MRT-Bildgebung während Maus zerebrale Hypoxie-Ischämie

Summary

Das hier vorgestellte Verfahren verwendet die gleichzeitige Positronenemissionstomographie und Magnetresonanztomographie. In der zerebrale Hypoxie-Ischämie-Modell, dynamischen Veränderungen in Verbreitung und Glukosestoffwechsel während und nach der Verletzungsgefahr. Die sich entwickelnde und reproduzierbaren Schäden in diesem Modell erfordert simultane Erfassung, wenn sinnvolle multimodaler Bildgebungsdaten erworben werden sollen.

Abstract

Dynamische Veränderungen in der Gewebewasserdiffusion und Glukosestoffwechsel während und nach der Hypoxie in zerebrale Hypoxie-Ischämie was eine bioenergetische Störung betroffenen Zellen vorkommen. Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRI) identifiziert Bereiche, die beschädigt sind, möglicherweise irreversibel durch Hypoxie-Ischämie. Veränderungen der Glucoseverwertung in das betroffene Gewebe durch Positronenemissionstomographie (PET) von 2-Deoxy-2- ⁽¹⁸ F) Fluor ᴅ-glucose ^([18 F] FDG) -Aufnahme erkennbar sein. Aufgrund des schnellen und variablen Natur der Verletzung in diesem Tiermodell muß Nahme der beiden Modi gleichzeitig Daten um PET und MRI-Daten zu korrelieren Bedeutung durchgeführt werden. Zusätzlich zur Variabilität der Tiere in der hypoxischischämischer Verletzungen durch Gefäß Unterschiede begrenzt die Fähigkeit, multimodale Daten zu analysieren und Veränderungen zu beobachten, um eine gruppenweise Ansatz, wenn die Daten nicht gleichzeitig in einzelnen Fächern erworben. Die Methode pübel hier erlaubt es, sowohl diffusionsgewichtete MRT und ^[18 F] FDG-Aufnahme Daten in der gleichen Tier vor zu erwerben, während und nach der hypoxischen Herausforderung, um unmittelbare physiologische Veränderungen zu verhören.

Introduction

Weltweit ist Schlaganfall die zweithäufigste Todesursache und eine der Hauptursachen von Behinderung ^1. Die Kaskade von biochemischen und physiologischen Ereignisse, die während auftreten und akut nach einem Schlaganfall-Ereignis tritt schnell und mit Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit des Gewebes und letztlich Ergebnis ^2. Zerebrale Hypoxie-Ischämie (HALLO), die hypoxischischämischer Enzephalopathie (HIE) führt, wird geschätzt, dass bis zu 0,3% und 4% des Vollzeit-und Frühgeburten, die jeweils ^3,4 beeinflussen. Die Sterblichkeit bei Säuglingen mit HIE ist ca. 15% bis 20%. In 25% der HIE Lebenden, ergeben dauerhafte Komplikationen als Folge der Verletzung, einschließlich geistige Retardierung, motorische Defizite, Zerebralparese und Epilepsie ^3,4. Historische therapeutische Interventionen haben nicht würdig Annahme als Standard der Versorgung bewährt und Konsens noch nicht erreicht werden, dass die modernsten Methoden, basierend auf Hypothermie, sind eine effektive Senkung der Morbidität ^3,5. Weitere Themen of Behauptung gehören der Anwendung der Hypothermie und Patientenauswahl ^6. Daher sind Strategien für die Neuroprotektion und neurorestoration noch ein fruchtbares Gebiet für die Forschung ^7.

Rattenmodellen der zerebralen HALLO Verfügung standen seit den 1960er Jahren, und in der Folge wurden Mäusen ^8,9 angepasst. Aufgrund der Art des Modells und dem Ort der Ligation wurde es inhärente Variabilität in den Ergebnissen aufgrund der Differenz in Kollateralfunktion zwischen Tieren ^10. Als Ergebnis neigen diese Modelle zu mehr variable Vergleich zu ähnlichen Modellen wie mittleren Zerebralarterie (MCAo). Echtzeitmessung der physiologischen Veränderungen mit Laser-Doppler-Flußmessung sowie diffusionsgewichtete MRI ¹¹ gezeigt. Die beobachtete intra Variabilität der Tiere in der zerebralen Blutflusses während und unmittelbar nach der Hypoxie sowie bei akuten Ergebnisse wie Infarktvolumen und neurologischenDefizit, legen nahe, dass die gleichzeitige Erfassung und Korrelation der multimodalen Daten von Vorteil wäre.

Jüngste Fortschritte in der simultane Positronenemissionstomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MRI) haben neue Möglichkeiten in der präklinischen Bildgebung ^12-14 erlaubt. Die potenziellen Vorteile dieser Hybrid, kombinierte Systeme für präklinische Anwendungen sind in der Literatur beschrieben worden ^15,16. Zum Beispiel, wenn jede Instanz eines Ereignisses wie Schlaganfall zeigt sich eindeutig, mit sich schnell entwickelnden Pathophysiologie – – Während viele präklinischen Fragen können durch eine individuelle Tier sequentiellen Bildgebung oder durch Abbildung getrennten Tiergruppen, bestimmte Situationen zu richten machen es wünschenswert und sogar notwendig zur gleichzeitigen Messung zu verwenden. Funktionelle Bildgebung stellt ein solches Beispiel, bei gleichzeitiger 2-deoxy-2- ⁽¹⁸ F) Fluor ᴅ-glucose ^([18 F] FDG) PET und blood-Sauerstoff-Niveau abhängige (BOLD) MRI hat vor kurzem in der Ratte Whisker Stimulation nachgewiesen sucht ^14.

Hier zeigen wir, gleichzeitige PET / MRT-Bildgebung bei Ausbruch einer hypoxisch-ischämischen Schlaganfall, in dem Gehirnphysiologie ist nicht in einem stabilen Zustand, sondern wird schnell und irreversibel zu ändern während der hypoxischen Herausforderung. Veränderungen der Wasserdiffusion, wie durch MRI gemessen und von der scheinbaren Diffusionskoeffizienten (ADC) von diffusionsgewichteten Bildgebung (DWI) abgeleitet quantifiziert, ist gut für einen Schlaganfall in der klinischen und präklinischen Daten ^17,18 gekennzeichnet. In Tiermodellen, wie MCAo, Diffusion von Wasser in den betroffenen Hirngewebe schnell abfällt aufgrund der bioenergetischen Kaskade, die zu zytotoxischen Ödem ^18. Diese akuten Veränderungen der ADC sind auch in Nagetiermodellen der zerebralen Hypoxie-Ischämie ^11,19 beobachtet. ^[18 F] FDG-PET-Bildgebung wurde bei Schlaganfallpatienten verwendet worden, um Änderungen in der lokalen gl bewertenucose Metabolismus ^{20 und eine} kleine Anzahl von in vivo-Tierstudien wurden ebenfalls verwendet ^[18 F] FDG ^21, auch im cerebralen Hypoxie-Ischämie-Modell ^22. Im Allgemeinen zeigen diese Studien verringerte Glukoseverwertung in ischämischen Regionen, obwohl eine Studie mit einem Modell mit Reperfusion fand keine Korrelation dieser Stoffwechselveränderungen mit späteren Infarktentwicklung ^23. Dies steht im Gegensatz zu Diffusions Veränderungen, die mit der irreversibel geschädigten ^Kerns 21 in Verbindung gebracht wurden. Somit ist es wichtig, dass die komplementäre Information von ^[18 F] FDG PET und DWI in einer simultanen Art und Weise während der Entwicklung des Hubes ermittelt zu erhalten, da dies wahrscheinlich um aussagekräftige Informationen über das Fortschreiten der Schädigung und den Auswirkungen ergeben therapeutische Interventionen. Die Methode, die wir hier beschreiben, ist leicht zugänglich, um mit einer Vielzahl von PET-Tracern und MRT-Sequenzen zu verwenden. Zum Beispiel ^[15 O] H _{2 O} PETBildgebung mit DWI und Perfusions-Wichtung (PWI) von MRI verwendet werden, um weiter zu erforschen die Entwicklung der ischämischen Penumbra und Validierung aktuellen Techniken innerhalb des Hubes Abbildungsfeldes werden.

Protocol

Alle Tier Handhabung und Verfahren hierin beschrieben, und nach dem Tierversuch: Berichterstattung in vivo Experimente (kommen) Richtlinien, wurden in Übereinstimmung mit Protokollen, die von der Vereinigung zur Bewertung der Akkreditierung von Laboratory Animal Care genehmigt durchgeführt (AAALAC) International akkreditiert Institutional Animal Care und Verwenden Committee an der University of California, Davis. Korrekte Operation sollte nicht bei Anzeichen von Schmerzen oder Beschwerden im Tier führen, aber richtig…

Representative Results

Abbildung 1 zeigt das Ergebnis eines korrekten Ligation der Arteria carotis communis, vor dem Schließen der Wunde mit 6-0 Seidennaht. Bei diesem Verfahren werden Daten von Abbildungs ​​erhaltenen stark abhängig von der zeitlichen Anordnung des Versuchs, der wiederum bestimmt, und wird auch durch experimentelle Grenzen einschließlich Bilderfassungssysteme und Geräteanordnung diktiert. Diese und andere Aspekte werden in der Diskussion Abschnitt erforscht. Mit dem hier …

Discussion

Gleichzeitige anatomischen MRT und dynamische DWI-MRT und ^[18 F] FDG-PET-Daten wurden erfolgreich von Versuchstieren während der hypoxischen Herausforderung folgenden Arteria carotis communis Ligation erworben. Dies stellt eine leistungsfähige experimentelle Paradigma für die multimodale Bildgebung des sich schnell entwickelnden Pathophysiologie mit ischämischer Beleidigungen im Gehirn und könnte ohne weiteres auf andere PET-Radiotracer (zB Marker Neuroinflammation) und MRT-Sequenzen, sowie die Auswirkun…

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)