Cerebral Blood Oxygenatie meting op basis van zuurstof-afhankelijke Afschrikken van Fosforescentie
Summary
We presenteren een experimentele procedure voor het meten van de partiële druk van zuurstof (pO2) in cerebrale vaatstelsel op basis van zuurstof-afhankelijke quenching van fosforescentie. Dier voorbereiding en beeldvormende procedures werden uiteengezet voor zowel grote beeldveld van CCD-gebaseerde beeldvorming van pO2 in ratten en twee-foton excitatie gebaseerde beeldvorming van de pO2 in muizen.
Abstract
Monitoring van de spatio-temporele karakteristieken van de cerebrale bloed en weefsel oxygenatie is cruciaal voor een beter begrip van de neuro-metabole-vasculaire relatie. Ontwikkeling van nieuwe pO2 meting modaliteiten met gelijktijdige controle van de pO2 in grotere gebied van beeld met een hogere ruimtelijke en / of temporele resolutie in staat zal stellen meer inzicht in de werking van het normale hersenen en zal ook een aanzienlijke impact op de diagnose en behandeling van neurovasculaire ziekten, zoals beroerte, ziekte van Alzheimer, en hoofdletsel.
Optische beeldvorming modaliteiten hebben aangetoond een groot potentieel om een hoge resolutie en spatiotemporele Quantitative Imaging van de pO2 op basis van hemoglobine absorptie in zichtbare en nabij-infrarode bereik van optische spectrum te bieden. Echter, multispectrale meting van de cerebrale bloedoxygenatie vertrouwt op foton migratie door de zeer verstrooiing hersenweefsel. Schatting en modellering van weefsel optische parameters, die kan ondergaan dynamische veranderingen tijdens het experiment, is meestal vereist voor nauwkeurige schatting van het bloed zuurstof. Aan de andere kant moet de schatting van de partiële druk van zuurstof (pO2) op basis van zuurstof-afhankelijke quenching van fosforescentie niet significant worden beïnvloed door de veranderingen in de optische parameters van het weefsel en zorgt voor een absolute maatstaf is van pO2. Experimentele systemen die zuurstof-gevoelige kleurstoffen te gebruiken zijn aangetoond in in vivo studies van de geperfuseerde weefsel als voor het toezicht op het zuurstofgehalte in het weefsel culturen, waaruit blijkt dat fosforescentie afschrikken is een krachtige techniek die in staat van nauwkeurige zuurstof beeldvorming in de fysiologische pO2 bereik.
Hier laten we zien met twee verschillende beeldvormende modaliteiten hoe de meting van de pO2 te voeren in de corticale vasculatuur op basis van fosforescentie lifetime imaging. In de eerste demonstratie presenteren wij breed gezichtsveld beeldvorming van pO2 in de corticale oppervlak van een rat. Dit beeldvormende modaliteit heeft relatief eenvoudige experimentele opstelling op basis van een CCD-camera en een gepulseerd groene laser. Een voorbeeld van het toezicht op de corticale het verspreiden van een depressie op basis van fosforescentie levensduur van Oxyphor R3 kleurstof werd gepresenteerd. In de tweede demonstratie presenteren wij een hoge resolutie twee-foton pO2 beeldvorming in corticale micro-vaatstelsel van een muis. De experimentele opstelling bestaat uit een op maat gemaakte twee-foton microscoop met femtoseconde laser, elektro-optische modulator, en foton-tellen van foto multiplier buis. We presenteren een voorbeeld van beeldvorming van de pO2 heterogeniteit in de corticale microvasculatuur waaronder haarvaten, met behulp van een nieuwe PtP-C343 kleurstof met verbeterde twee-foton excitatie doorsnede.
Klik hier om het bijbehorende artikel wordt weergegeven Synthese en kalibratie van Phosphorescent nanosondes voor zuurstof Imaging in Biological Systems.
Protocol
Discussion
Toonden we twee toepassingen van de pO2 meting in corticale microvasculatuur op basis van zuurstof-afhankelijke quenching van fosforescentie. Terwijl de eerste methode op basis van CCD imaging biedt breed gezichtsveld controle van de pO2, het meten van partiële druk van zuurstof in de corticale microvasculatuur op basis van twee-foton microscopie biedt capillaire resolutie en laat beeldvorming in de diepte. Beide methoden bieden een hoge snelheid en hoge signaal-ruis metingen. Daarnaast is de levensduur fosforescentie …
Acknowledgements
We willen graag de steun van de Amerikaanse National Institutes of Health beurzen R01NS057476, P50NS010828, P01NS055104, R01EB000790, K99NS067050, R01HL081273 en R01EB007279 en Amerikaanse Heart Association verlenen 0855772D erkennen.
Materials
| Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
|---|---|---|---|---|
| Glycopyrrolate | Reagent | American Regent Inc. | NDC 0517-4605-25 | Used to control pharyngeal, tracheal, and bronchial secretions. |
| Lidocaine HCL | Reagent | Hospira Inc. | NDC 0409-4277-01 | Used as the local anesthesia during surgeries. |
| Isoflurane | Reagent | Baxter Healthcare Corp. | NDC 10019-360-40 | Used as a general inhalation anesthetic drug during surgeries and as a general anesthesia during experiments with mice. |
| Alpha Chloralose | Reagent | Sigma | C0128 | Used as a general anesthesia during experiments with rats. |
| Fluorescein isothio-cyanate–dextran | Reagent | Sigma | FD2000S | Administrated to create ~ 500 nM concentration in blood. |
References
- Kleinfeld, D., Friedman, B., Lyden, P. D., Shih, A. Y., Chen, J., Xu, Z., Xu, X., Zhang, J. Targeted occlusion to surface and deep vessels in neocortex via linear and nonlinear optical absorption, Animal Models of Acute Neurological Injuries. Contemporary Neuroscience Series. , (2007).
- Mostany, R., Portera-Cailliau, C. A Craniotomy Surgery Procedure for Chronic Brain Imaging. J Vis Exp. , (2008).
- Lebedev, A. Y., Cheprakov, A. V., Sakadzic, S., Boas, D. A., Wilson, D. F., Vinogradov, S. A., A, S. Dendritic Phosphorescent Probes for Oxygen Imaging in Biological Systems. Applied Materials & Interfaces. , (2009).
- Finikova, O. S., Lebedev, A. Y., Aprelev, A., Troxler, T., Gao, F., Garnacho, C., Muro, S., Hochstrasser, R. M., Vinogradov, S. A. Oxygen microscopy by two-photon-excited phosphorescence. Chemphyschem. 9, 1673-1679 (2008).
- Sakadžić, S., Yuan, S., Dilekoz, E., Ruvinskaya, S., Vinogradov, S. A., Ayata, C., Boas, D. A. Simultaneous imaging of cerebral partial pressure of oxygen and blood flow during functional activation and cortical spreading depression. Appl Opt. 48, D169-D177 (2009).
- Yaseen, M. A., Srinivasan, V. J., Sakadzic, S., Wu, W., Ruvinskaya, S., Vinogradov, S. A., Boas, D. A. Optical monitoring of oxygen tension in cortical microvessels with confocal microscopy. Opt Express. 17, 22341-22350 (2009).
- Sakadzic, S., Roussakis, E., Yaseen, M. A., Mandeville, E. T., Srinivasan, V. J., Arai, K., Ruvinskaya, S., Devor, A., Lo, E. H., Vinogradov, S. A., Boas, D. A. Two-photon high-resolution measurement of partial pressure of oxygen in cerebral vasculature and tissue. Nat Methods. 7, 755-759 (2010).
