Contrast Enhanced Imaging Ultrasound voor de Beoordeling van Spinal Cord Blood Flow in Experimentele Spinal Cord Injury
Summary
Contrast Enhanced Ultrasound imaging is a reliable in-vivo tool for quantifying spinal cord blood flow in an experimental rat spinal cord injury model. This paper contains a comprehensive protocol for application of this technique in association with a contusion model of thoracic spinal cord injury.
Abstract
Verminderde ruggenmerg bloedstroom (SCBF) (dwz ischemie) speelt een belangrijke rol in de traumatische dwarslaesie (SCI) pathofysiologie en is daarom een belangrijk doelwit voor neuroprotectieve therapieën. Hoewel diverse technieken zijn beschreven SCBF beoordelen, hebben allemaal belangrijke beperkingen. Om dat laatste te overwinnen, stellen wij het gebruik van real-time contrast versterkte echografie (CEU). Hier beschrijven we de toepassing van deze techniek in een rat kneuzing model van SCI. Een halsader katheter eerst geïmplanteerd voor herhaalde injectie van contrastmiddel, een natrium- chlorideoplossing van zwavelhexafluoride ingekapselde microbellen. De wervelkolom wordt vervolgens gestabiliseerd met een op maat gemaakte 3D-frame en het ruggenmerg dura mater wordt blootgesteld door een laminectomie bij Thix-ThXII. De ultrasone sonde wordt vervolgens geplaatst op het achterste deel van de dura mater (bedekt met echografie gel). Om basislijn SCBF, een enkele intraveneuze injectie (400 pl) van contra beoordelenst middel wordt toegepast op zijn passage op te nemen door de intacte ruggenmerg microvasculatuur. Een gewicht-drop-apparaat wordt vervolgens gebruikt om een reproduceerbare experimentele kneuzing model van SCI te genereren. Contrastmiddel wordt opnieuw geïnjecteerd 15 min na de verwonding aan post-SCI SCBF veranderingen te beoordelen. CEU zorgt voor real-time en in-vivo evaluatie van SCBF veranderingen na SCI. In de niet gewonde dier, echografie toonde ongelijkmatige doorbloeding langs de intacte ruggenmerg. Bovendien 15 min na SCI, was kritisch ischemie op het niveau van het epicentrum terwijl SCBF bewaard gebleven in de meer afgelegen gebieden intact. In de gebieden naast het epicentrum (zowel rostraal en caudaal) werd SCBF aanzienlijk verminderd. Dit komt overeen met de eerder beschreven "ischemische penumbra zone". Deze tool is van groot belang voor het beoordelen van de effecten van therapieën die gericht zijn op het beperken van ischemie en de resulterende weefselnecrose na SCI.
Introduction
Traumatisch ruggenmergletsel (SCI) is een verwoestende aandoening die leidt tot significante verslechtering in de motorische, sensorische en autonome functies. Tot op heden is er geen therapie zijn efficiëntie patiënten aangetoond. Om die redenen is het van belang om nieuwe technieken die de evaluatie van mogelijke behandelingen zal verbeteren en verder verhelderen schade pathiophysiology 1 te identificeren.
SCI is verdeeld in twee opeenvolgende fasen, aangeduid als primaire en secundaire verwondingen. Het primaire letsel komt overeen met de oorspronkelijke mechanische insult. Dat het secondaire verwonding groepen een cascade van verschillende biologische gebeurtenissen (zoals ontsteking, oxidatieve stress en hypoxie) die verder bijdragen tot de geleidelijke uitbreiding van het oorspronkelijke letsel, weefselschade en daarom 2,3 neurologische uitval.
Bij de acute fase van SCI, worden neuroprotectieve therapieën die gericht zijn op het verminderen van de secundaire verwondingen pathologie en shOuld dienovereenkomstig verbeteren neurologische uitkomsten. Onder de vele secundaire schade events, ischemie speelt een cruciale rol 4,5. Op het niveau van de SCI epicentrum, de beschadigde parenchymale microvessels belemmert effectieve ruggenmerg bloedstroom (SCBF). Bovendien SCBF is ook significant in de regio rond het letsel epicentrum, een gebied bepaald zogenaamde "ischemische penumbra zone" verminderd. Als SCBF niet snel kan worden hersteld binnen deze regio, kan ischemie leiden tot aanvullende parenchymale necrose en verder zenuwweefsel schade. Als zelfs de geringste weefsel behoud substantiële effecten van de functie kan hebben, is het van groot belang zijn voor geneesmiddelen en therapieën die kunnen verminderen ischemie post-SCI ontwikkelen. Om dit fenomeen te markeren heeft voorgaand werk aangetoond dat het behoud van slechts 10% van gemyeliniseerde axonen was genoeg voor het lopen mogelijk bij katten na SCI 6.
Hoewel diverse technieken zijn beschreven SCBF het beoordeleny hebben allemaal aanzienlijke beperkingen. Bijvoorbeeld, het gebruik van radioactieve microsferen 7,8 en C14-iodopyrine autoradiografie 9 vereist daaropvolgende offeren van dieren en kunnen niet worden herhaald op latere tijdstippen. De waterstof wordt gezuiverd 10 afhankelijk van de invoeging van intraspinale elektroden die het ruggenmerg verder beschadigen. Terwijl laser Doppler imaging, plethysmografie 14,15 en in vivo lichtmicroscopie 16 een bijzonder beperkte diepte / meetgebied 11-13.
Ons team heeft eerder aangetoond dat contrastversterkte ultrasoon (CEU) beeldvorming kan worden gebruikt voor het real time beoordelen en in vivo de SCBF veranderingen in de rat ruggemerg parenchym 17. Het is belangrijk op te merken dat een soortgelijke techniek Huang et al toegepast. In een varkensmodel van SCI 18. CEU geldt een specifieke vorm van echografie, die het mogelijk maakt om grijswaarden morfologische im associërenleeftijden (verkregen door de conventionele B-mode) met ruimtelijke verdeling van de bloedstroom 19. De SCBF beeldvorming en kwantificatie vertrouwt op intravasculaire injectie van echo-contrastmiddelen. Het contrastmiddel bestaat uit zwavelhexafluoride microbellen (gemiddelde diameter van ongeveer 2,5 pm en 90% een diameter kleiner dan 6 um) gestabiliseerd door fosfolipiden. De microbellen tijdens de ultrasone bundel uitgezonden door de probe zo bloed-echogeniciteit verbeterd en wordt het contrast van de weefsels volgens de bloedstroom. Het is derhalve mogelijk om de bloedstroom te evalueren in een bepaalde regio van belang volgens de intensiteit van het gereflecteerde signaal. De microbellen zijn ook veilig en ze zijn klinisch toegepast bij de mens. Het zwavelhexafluoride snel geklaard (gemiddelde terminale halfwaardetijd is 12 min) en meer dan 80% van de toegediende zwavelhexafluoride wordt teruggevonden in de uitgeademde lucht binnen 2 min na injectie. Dit protocol voorziet in een eenvoudige manier om CEU im gebruikenaging te SCBF veranderingen in de rat te beoordelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel we hebben beschreven hoe CEU gebruiken in een rat SCI kneuzing model, kan dit protocol worden aangepast om andere experimentele doelstellingen of SCI modellen passen. Wij hebben besloten om SCBF op twee tijdstippen te meten (vóór letsel en 15 min na SCI), maar het aantal tijdstippen en de vertraging tussen SCBF metingen kunnen worden aangepast aan de behoeften van andere studies voldoen. Bijvoorbeeld, in ons eerdere werk 17, hebben we gemeten SCBF op vijf achtereenvolgende tijdstippen gedurende het e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We acknowledge Stephanie Gorgeard, Thierry Scheerlink (Toshiba France), and Christophe Lazare (Bracco France).
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Comments/Description | |
| External Fixator Hoffman 3 | Stryker, Kalamazoo, USA | Modular system used to build the custom made 3D frame and the jointed arm holding the ultrasound probe | |
| Toshiba Applio | Toshiba, Tokyo, Japan | Ultrasound machine | |
| Sonovue | Bracco, Milan, Italy | Contrast agent : microbubbles | |
| Vueject pump | Bracco, Milan, Italy | Electric pump for infusion of microbubbles bolus | |
| Aquasonic Ultrasound Gel | Parker Laboratories, Fairfield, NJ, USA | Ultrasound gel used to transmit the ultrasound waves | |
| Isovet | Piramal Healthcare, Mumbai, India | Isoflurane used for anesthesia | |
| Ultra Extend | Toshiba, Tokyo, Japan | Software used for quantification of spinal cord blood flow | |
| Mastercraft Five-piece Mini-pliers Set, Product #58-4788-6 | Canadian Tire, Toronto, Canada | Set of pliers for Do-it-yourself job |
References
- Cadotte, D. W., Fehlings, M. G. Spinal cord injury: a systematic review of current treatment options. Clin Orthop Relat Res. 469 (3), 732-741 (2011).
- Beattie, M. S., Farooqui, A. A., Bresnahan, J. C. Review of current evidence for apoptosis after spinal cord injury. J Neurotrauma. 17 (10), 915-925 (2000).
- MacDonald, J. W., Sadowsky, C. Spinal-cord injury. Lancet. 359 (9304), 417-425 (2002).
- Mautes, A. E., Weinzierl, M. R., Donovan, F., Noble, L. J. Vascular events after spinal cord injury: contribution to secondary pathogenesis. Phys Ther. 80 (7), 673-687 (2000).
- Martirosyan, N. L., et al. Blood supply and vascular reactivity of the spinal cord under normal and pathological conditions. J Neurosurg Spine. 15 (3), 238-251 (2011).
- Blight, A. R. Cellular morphology of chronic spinal cord injury in the cat: analysis of myelinated axons by line-sampling. Neuroscience. 10 (2), 521-543 (1983).
- Bassingthwaighte, J. B., et al. Validity of microsphere depositions for regional myocardial flows. Am J Physiol. 253 (1 Pt 2), H184-H193 (1987).
- Drescher, W. R., Weigert, K. P., Bunger, M. H., Hansen, E. S., Bunger, C. E. Spinal blood flow in 24-hour megadose glucocorticoid treatment in awake pigs. J Neurosurg. 99 (3 Suppl), 286-290 (2003).
- Golanov, E. V., Reis, D. J. Contribution of oxygen-sensitive neurons of the rostral ventrolateral medulla to hypoxic cerebral vasodilatation in the rat. J Physiol. 495 (Pt 1), 201-216 (1996).
- Ueda, Y., et al. Influence on spinal cord blood flow and function by interruption of bilateral segmental arteries at up to three levels: experimental study in dogs). Spine (Phila Pa 1976). 30 (20), 2239-2243 (2005).
- Carlson, G. D., et al. Sustained spinal cord compression: part II: effect of methylprednisolone on regional blood flow and recovery of somatosensory evoked potentials). J Bone Joint Surg Am. 85-A (1), 95-101 (2003).
- Hamamoto, Y., Ogata, T., Morino, T., Hino, M., Yamamoto, H. Real-time direct measurement of spinal cord blood flow at the site of compression: relationship between blood flow recovery and motor deficiency in spinal cord injury. Spine (Phila Pa 1976). 32 (18), 1955-1962 (2007).
- Horn, E. M., et al. The effects of intrathecal hypotension on tissue perfusion and pathophysiological outcome after acute spinal cord injury). Neurosurg Focus. 25 (5), E12 (2008).
- Phillips, J. P., George, K. J., Kyriacou, P. A., Langford, R. M. Investigation of photoplethysmographic changes using a static compression model of spinal cord injury. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009, 1493-1496 (2009).
- Phillips, J. P., George, K. J., Kyriacou, P. A., Langford, R. M. Investigation of photoplethysmographic changes using a static compression model of spinal cord injury. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009, 1493-1496 (2009).
- Ishikawa, M., et al. Platelet adhesion and arteriolar dilation in the photothrombosis: observation with the rat closed cranial and spinal windows. J Neurol Sci. 194 (1), 59-69 (2002).
- Soubeyrand, M., et al. Real-time and spatial quantification using contrast-enhanced ultrasonography of spinal cord perfusion during experimental spinal cord injury. Spine (Phila Pa 1976). 37 (22), E1376-E1382 (1976).
- Huang, L., et al. Quantitative assessment of spinal cord perfusion by using contrast-enhanced ultrasound in a porcine model with acute spinal cord contusion). Spinal Cord. 51 (3), 196-201 (2012).
- Postema, M., Gilja, O. H. Contrast-enhanced and targeted ultrasound. World J Gastroenterol. 17 (1), 28-41 (2011).
- Soubeyrand, M., Badner, A., Vawda, R., Chung, Y. S., Fehlings, M. Very High Resolution Ultrasound Imaging for Real-Time Quantitative Visualisation of Vascular Disruption After Spinal Cord Injury. J Neurotrauma. , (2014).
- Akhtar, A. Z., Pippin, J. J., Sandusky, C. B. Animal models in spinal cord injury: a review. Rev Neurosci. 19 (1), 47-60 (2008).
