In vivo- spårning av ödemutveckling och mikrovaskulär patologi i en modell av experimentell cerebral malaria med användning av magnetisk resonansbildning
Summary
We describe a mouse model of experimental cerebral malaria and show how inflammatory and microvascular pathology can be tracked in vivo using magnetic resonance imaging.
Abstract
Cerebral malaria is a sign of severe malarial disease and is often a harbinger of death. While aggressive management can be life-saving, the detection of cerebral malaria can be difficult. We present an experimental mouse model of cerebral malaria that shares multiple features of the human disease, including edema and microvascular pathology. Using magnetic resonance imaging (MRI), we can detect and track the blood-brain barrier disruption, edema development, and subsequent brain swelling. We describe multiple MRI techniques that can visualize these pertinent pathological changes. Thus, we show that MRI represents a valuable tool to visualize and track pathological changes, such as edema, brain swelling, and microvascular pathology, in vivo.
Introduction
Malaria är ett betydande globalt hälsoproblem. 1 Allvarlig malaria kännetecknas delvis av cerebral inblandning och är ofta en dålig prognostisk faktor. Cerebral involvering är vanlig hos barn under fem års ålder i områden med hög malariotransmission och utgör den främsta orsaken till malariärrelaterad död i den åldersgruppen. 1 Medan aggressiv behandling kan vara livrädd, kan detekteringen av cerebral malaria, särskilt i tidiga skeden, vara svårt. De patologiska processerna som är involverade i cerebral malaria innefattar mikrovaskulär störning och hjärnödem, vilket kan leda till svår hjärnsvullnad. I denna artikel presenterar vi ett magnetiskt resonansbildningsprotokoll (MRI) som möjliggör helhjärnans in vivo avbildning av experimentell cerebral malaria (ECM). Hela hjärnans högupplösta bildhanteringsmetoder har i stor utsträckning underutnyttjats i denna sjukdom, även om det är litet känt om hur ECM initierar i det centralaNervsystemet eller vilka specifika mekanismer som leder till sjukdomen. In vivo MR, som täcker hela hjärnan, utgör ett viktigt forskningsverktyg för att få en bättre förståelse för ECM-patologi. MRI kan bedöma global cerebral hjärnsvullnad, som nyligen har erkänts vara en viktig prediktor för död, inte bara i ECM, men också i human cerebral malaria. 2 , 3 Svår hjärnsvullnad uppträder vid dödlig sjukdom och representerar en av flera patologiska särdrag mellan ECM-modellerna och den mänskliga sjukdomen, en sjukdom som kännetecknas av både inflammatoriska och mikrovaskulära förändringar. 4
ECM kan induceras i CBA- eller C57BL-möss genom infektion med dödlig Plasmodium berghei ANKA. 5 Uppkomsten av ECM uppträder vanligen mellan dag 6 och 10 efter infektion och resulterar i montering, ataxi, andningsöd och koma, vilket leder till rapId död. 4 Den snabba murin Coma and Behavior Scale (RMCBS) är ett bra betyg för att utvärdera kliniska symptom på ECM. Den består av 10 parametrar, var och en av 0 till 2, med ett maximalt poäng på 20. 6 Nyligen visade vi god överenskommelse mellan svårighetsgraden av RMCBS-poäng i ECM-möss och patologiska förändringar som demonstrerats av MR. 7 I detta protokoll beskriver vi ECM-induktion i möss och in vivo magnetisk resonansbildning av möss med ECM.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna artikel beskriver vi ett helhjärtat MR-protokoll för att avgränsa förändringar i experimentell cerebral malaria. Vi tror att MR har underutnyttjats i malariaprojekt hittills och hoppas att våra protokoll kommer att hjälpa andra utredare. Vi skulle vilja beskriva några ytterligare punkter som kan vara till hjälp.
Om allvarligt sjuka möss avbildas är positionering avgörande. På grund av ökat intrakraniellt tryck är möss mottagliga för döden, och därför bör den cerv…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Miriam Reinigs tekniska assistans erkänns tacksamt. AH erhöll finansiering från en postdoktorsk stipendiat vid Medicinska fakulteten vid Heidelbergs universitet. MP stöds av ett memorial stipendium från Else-Kröner-Fresenius Foundation. AKM är mottagare av en mammaledighet stipendium från DZIF-akademin för det tyska centrumet för infektionsforskning (DZIF). JP är mottagare av en Heidelberg Research Center for Molecular Medicine (HRCMM) Karriärutvecklingsfellowship. Vi bekräftar dessutom tacksamt Julia M. Sattler och Friedrich Frischknecht för att ge en exemplifierande film av sporozoitrörelse.
Materials
| Isoflurane | Baxter | 1001747 | for anesthesia |
| Dotarem | Guebert | 1086923 | Gd-DTPA contrast agent; 0.5mmol/ml |
| Amira (Image Processing Program) | FEI Group | Version Amira 5.3.2 | |
| MATLAB | The MathWorks, Inc., | Release 2012b | |
| FDT toolbox | FMRIB's Software Library | http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fdt/index.html | |
Referências
- World Health Organization. . World Malaria Report. , (2014).
- Seydel, K. B., et al. Brain swelling and death in children with cerebral malaria. N Engl J Med. 372 (12), 1126-1137 (2015).
- Penet, M. F., et al. Imaging experimental cerebral malaria in vivo: significant role of ischemic brain edema. J Neurosci. 25 (32), 7352-7358 (2005).
- de Souza, J. B., Riley, E. M. Cerebral malaria: the contribution of studies in animal models to our understanding of immunopathogenesis. Microbes Infect. 4 (3), 291-300 (2002).
- Curfs, J. H., van der Meide, P. H., Billiau, A., Meuwissen, J. H., Eling, W. M. Plasmodium berghei: recombinant interferon-gamma and the development of parasitemia and cerebral lesions in malaria-infected mice. Exp Parasitol. 77 (2), 212-223 (1993).
- Carroll, R. W., et al. A rapid murine coma and behavior scale for quantitative assessment of murine cerebral malaria. PLoS One. 5 (10), (2010).
- Hoffmann, A., et al. Experimental Cerebral Malaria Spreads along the Rostral Migratory Stream. PLoS Pathog. 12 (3), e1005470 (2016).
- Mueller, A. K., Behrends, J., Blank, J., Schaible, U. E., Schneider, B. E. An experimental model to study tuberculosis-malaria coinfection upon natural transmission of Mycobacterium tuberculosis and Plasmodium berghei. J Vis Exp. (84), e50829 (2014).
- Hynynen, K., McDannold, N., Sheikov, N. A., Jolesz, F. A., Vykhodtseva, N. Local and reversible blood-brain barrier disruption by noninvasive focused ultrasound at frequencies suitable for trans-skull sonications. Neuroimage. 24 (1), 12-20 (2005).
- Nag, N., Mellott, T. J., Berger-Sweeney, J. E. Effects of postnatal dietary choline supplementation on motor regional brain volume and growth factor expression in a mouse model of Rett syndrome. Brain Res. 1237, 101-109 (2008).
- Giri, S., et al. T2 quantification for improved detection of myocardial edema. J Cardiovasc Magn Reson. 11, 56 (2009).
- Engwerda, C., Belnoue, E., Gruner, A. C., Renia, L. Experimental models of cerebral malaria. Curr Top Microbiol Immunol. 297, 103-143 (2005).
- Zhao, H., et al. Olfactory plays a key role in spatiotemporal pathogenesis of cerebral malaria. Cell Host Microbe. 15 (5), 551-563 (2014).
- Nacer, A., et al. Experimental cerebral malaria pathogenesis–hemodynamics at the blood brain barrier. PLoS Pathog. 10 (12), e1004528 (2014).
- Nacer, A., et al. Neuroimmunological blood brain barrier opening in experimental cerebral malaria. PLoS Pathog. 8 (10), e1002982 (2012).
- Pai, S., et al. Real-time imaging reveals the dynamics of leukocyte behaviour during experimental cerebral malaria pathogenesis. PLoS Pathog. 10 (7), e1004236 (2014).
- Shaw, T. N., et al. Perivascular Arrest of CD8+ T Cells Is a Signature of Experimental Cerebral Malaria. PLoS Pathog. 11 (11), e1005210 (2015).
- Potchen, M. J., et al. Acute brain MRI findings in 120 Malawian children with cerebral malaria: new insights into an ancient disease. AJNR Am J Neuroradiol. 33 (9), 1740-1746 (2012).
