Samtidig PET / MR Imaging Under Mouse Cerebral Hypoxi-ischemi

Summary

Den metod som presenteras här använder samtidig positronemissionstomografi och magnetisk resonanstomografi. I cerebral hypoxi-ischemi modell, dynamiska förändringar i diffusion och glukosmetabolism inträffa under och efter skada. Den utvecklas och reproducerbara skada i denna modell kräver samtidig förvärv om meningsfulla multimodala bilddata ska förvärvas.

Abstract

Dynamiska förändringar i vävnads vatten diffusion och glukosmetabolism inträffa under och efter hypoxi i cerebral hypoxi-ischemi återspeglar en bioenergetik störning i drabbade celler. Diffusion vägda magnetisk resonanstomografi (MRT) identifierar regioner som är skadade, eventuellt irreversibelt genom hypoxi-ischemi. Förändringar i glukosutnyttjande i den drabbade vävnaden kan vara detekterbara genom positronemissionstomografi (PET) avbildning av två-deoxi-2- ⁽¹⁸ F) fluor-ᴅ-glukos ^([18 F] FDG) upptag. På grund av den snabba och rörliga karaktär skada i denna djurmodell, måste förvärv av båda lägena av uppgifter utföras samtidigt för att ett meningsfullt korrelera PET och MRI data. Dessutom, inter-djur variabilitet i hypoxisk-ischemisk skada på grund av vaskulära skillnader begränsar förmågan att analysera multimodala uppgifter och beakta ändringar i en gruppvis strategi om uppgifterna inte förvärvas samtidigt i enskilda ämnen. Metoden pförbittrade här gör att man kan få både diffusion vägda MRI och ^[18 F] FDG upptag data i samma djur före, under och efter hypoxisk utmaning för att förhöra omedelbara fysiologiska förändringar.

Introduction

Globalt är stroke den andra ledande orsaken till död och en viktig orsak till invaliditet ^1. Den kaskad av biokemiska och fysiologiska händelser som inträffar under och akut efter en stroke händelse inträffar snabbt och med konsekvenser för vävnadsviabilitet och slutligen resultatet ^2. Cerebral hypoxi-ischemi (HI), vilket leder till hypoxisk-ischemisk encefalopati (HIE), beräknas drabba upp till 0,3% och 4% av fullgångna och prematura födslar, respektive ^3,4. Dödligheten hos spädbarn med HIE är cirka 15% till 20%. I 25% av HIE överlevande, permanenta komplikationer uppstår som ett resultat av skadan, inklusive mental retardation, motoriken, cerebral pares, och epilepsi ^3,4. Tidigare terapeutiska ingrepp har inte visat sig värdig antas som standardbehandling, och konsensus har ännu inte nått den mest avancerade metoder som bygger på hypotermi, effektivt minskar sjuklighet ^3,5. Övriga frågor of påstående inkluderar administreringssätt av hypotermi och patientens val ^6. Således, strategier för neuroprotektion och neurorestoration är fortfarande ett bördigt område för forskning ^7.

Råttmodeller av cerebral HI har funnits sedan 1960-talet, och därefter anpassades till möss ^8,9. På grund av karaktären av modellen och placeringen av ligering, finns det inneboende variabilitet i utfallet på grund av skillnader i säkerhet flödet mellan djur ^10. Som ett resultat av dessa modeller tenderar att vara mer varierande jämfört med liknande modeller såsom mellersta cerebral artär ocklusion (MCAo). Realtidsmätning av fysiologiska förändringar har visats med laser Doppler flowmetry samt diffusion vägda MRI ^11. Den observerade inom djur variabilitet i cerebralt blodflöde under och omedelbart efter hypoxi, såväl som vid akuta utfall såsom infarktvolymen och neurologiskaunderskott, tyder på att samtidig förvärv och korrelation av multimodala uppgifter skulle vara fördelaktigt.

Senaste framstegen inom samtidig positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT) har gjort det möjligt för nya möjligheter inom preklinisk imaging ^12-14. De potentiella fördelarna med dessa hybrid, kombinerade system för prekliniska applikationer har beskrivits i litteraturen ^15,16. Medan många prekliniska frågor kan lösas genom avbildning ett enskilt djur i följd eller genom att avbilda separata djurgrupper, vissa situationer – exempelvis när varje instans av en händelse såsom stroke yttrar sig unikt, med snabbt växande patofysiologi – gör det önskvärt och även nödvändigt att använda samtidig mätning. Funktionella neuroimaging ger ett sådant exempel, där samtidig 2-deoxi-2- ⁽¹⁸ F) fluor-ᴅ-glukos ^([18 F] FDG) PET och blood-syre-nivå beroende (FET) MRT har nyligen demonstrerats i rått morrhår stimulering Studier ^14.

Här visar vi samtidigt PET / MR avbildning vid uppkomsten av en hypoxisk-ischemisk stroke där hjärnan fysiologi inte vid steady state, utan snabbt och irreversibelt förändras under hypoxisk utmaning. Förändringar i vatten diffusion, mätt med MRI och kvantifieras genom den uppenbara diffusionskoefficienten (ADC) som härrör från diffusion vägda imaging (DWI), har karakteriserats väl för stroke i kliniska och prekliniska data ^17,18. I djurmodeller såsom MCAo, droppar diffusion av vatten i drabbade hjärnvävnad snabbt på grund av den bioenergetiska kaskaden som leder till cytotoxiska ödem ^18. Dessa akuta förändringar i ADC observeras också i gnagarmodeller av cerebral hypoxi-ischemi ^{11,19. [18} F] FDG PET avbildning har använts i strokepatienter att bedöma förändringar i den lokala glucose metabolism ^20, och ett litet antal in vivo djurstudier har också använt ^[18 F] FDG ^21, bland annat i cerebral hypoxi-ischemi modell ^22. I allmänhet visar dessa studier minskade glukosmetabolismen i ischemiska regioner, även om en studie med en modell med reperfusion fann ingen korrelation mellan dessa metabola förändringar med senare infarkt utveckling ^23. Detta står i kontrast till spridnings förändringar som har samband med irreversibelt skadade kärnan ^21. Därför är det viktigt att kunna få den kompletterande information från ^[18 F] FDG PET och DWI i en simultan sätt under utvecklingen av stroke, eftersom det är sannolikt att ge meningsfull information om utvecklingen av skador och effekterna av terapeutiska ingrepp. Den metod vi beskriver här är lätt mottaglig för användning med en mängd olika PET-spårämnen och MRI sekvenser. Exempelvis har ^[15 O] _H2O PETavbildning tillsammans med DWI och perfusion-viktade bilder (PWI) från MRT kan användas för att ytterligare undersöka utvecklingen av den ischemiska halvskuggan och validera aktuella tekniker inom slagbildfältet.

Protocol

Alla djurhantering och förfaranden som beskrivs häri, och enligt Animal Research: Rapportering in vivo-experiment (fram) riktlinjerna genomfördes i enlighet med protokoll som godkänts av Föreningen för Bedömning av Ackreditering av Laboratory Animal Care (AAALAC) International ackrediterade Institutional Animal Care och användning kommittén vid University of California, Davis. Korrekt operation bör inte leda till tecken på någon smärta eller obehag hos djuret, men lämpliga åtgärder bör vidtas om dessa t…

Representative Results

Figur 1 visar resultatet av en korrekt ligering av den gemensamma halsartären, före tillslutning av såret med 6-0 silkessutur. I denna metod är data erhållna från avbildning i hög grad beroende på den tidsmässiga arrangemanget av experimentet, som i sin tur dikterar och är också dikterad av experimentella begränsningarna innefattande bildupptagningssystem och installation av utrustningen. Dessa och andra överväganden utforskas ytterligare i diskussionsavsnittet…

Discussion

Samtidig anatomisk MRI och dynamisk DWI-MRI och ^[18 F] FDG PET-data framgångsrikt förvärvats från försöksdjur under hypoxisk utmaning efter gemensamma halspulsådern ligation. Detta utgör ett kraftfullt experimentell paradigm för multimodal avbildning av den snabbt föränderliga patofysiologi i samband med ischemiska förolämpningar i hjärnan och kan lätt utvidgas till att studera andra PET radiospårämnen (t ex markörer för neuroinflammation) och MRI-sekvenser, samt effekterna av interventione…

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)