Ett protokoll för stroke debut tid uppskattning i en råtta modell av stroke att utnyttja kvantitativ magnetresonanstomografi (qMRI) parametrar beskrivs. Förfarandet utnyttjar diffusion MRI för avgränsning av akut stroke lesion och kvantitativa T1 och T2 (qT1 och qT2) avkoppling gånger för timing av stroke.
MRT ger en känslig och specifik avbildningsverktyg för att upptäcka akut ischemisk stroke med hjälp av en nedsatt diffusion koefficient av hjärnan bevattnar. I en råtta modell av ischemisk stroke, skillnaderna i kvantitativa T1 och T2 MRI avkoppling gånger (qT1 och qT2) mellan ischemisk lesion (avgränsad av låg diffusion) och den kontralaterala icke-ischemiska halvklotet ökar med tiden från stroke uppkomst. Tid beroende av MRI avkoppling tidsskillnader beskrivs heuristiskt av en linjär funktion och ger därmed en enkel uppskattning av stroke debut tid. Dessutom öka volymerna av onormal qT1 och qT2 inom ischemisk lesion linjärt med tiden att ge en kompletterande metod för stroke timing. En (halv) automatiserad dator rutin baserat på de kvantifierade diffusionen koefficient presenteras för att avgränsa akut ischemisk stroke vävnad i råtta ischemi. Denna rutin avgör också hemisfäriska skillnader i qT1 qT2 avkoppling gånger och läge och volymen av onormal qT1 och qT2 voxlar inom lesionen. Osäkerheter som är associerad med debut tidsestimat qT1 och qT2 MRI data varierar från ± 25 min till ± 47 min för de första 5 timmarna av stroke. De mest exakta uppkomsten uppskattningarna kan vara erhålls genom beräkning av volymen av överlappande onormal qT1 och qT2 lesion volymer, kallas ‘ Vöverlappar‘ (± 25 min) eller genom att kvantifiera hemisfäriska skillnader i qT2 avkoppling gånger endast (± 28 min). Sammantaget överträffa qT2 härrör parametrar de från qT1. Det nuvarande MRI-protokollet testas i den hyperacute fasen av en permanent fokal ischemi modell, som inte får tillämpas på övergående fokala brain ischemi.
Hjärnvävnaden är särskilt utsatta för ischemi på grund av den höga beroendet av den oxidativ fosforyleringen för ATP-syntes och begränsad energireserver. Ischemi resulterar i subtila tidsberoende Joniska förändringar i intracellulär och extracellulär utrymmen som leder till omfördelning av hjärnan vattenpooler, frisättningen av excitotoxic signalsubstanser och slutligen inledandet av destruktiva processer 1. I focal ischemia, vävnadsskada sprider sig utanför den ursprungliga kärnan om blodflödet inte återställs inom en viss tidsram 2. Tidpunkten för stroke debut är idag en av de viktigaste kriterierna i kliniska beslut för farmakoterapi av ischemisk stroke, inklusive recanalization av trombolytiska medel 3. Många patienter är således automatiskt berättigade till trombolytisk behandling p.g.a. okänd symptom debut, på grund av stroke inträffar under sömnen (‘vakna stroke’), avsaknaden av vittne eller att vara omedvetna av symtom 4,5. Det krävs därför ett förfarande som bestämmer tiden för stroke debut så att sådana patienter kan övervägas för trombolys.
MRI sonder vatten i vivo. Dynamik som är allvarligt oroad över akut ischemisk energi misslyckande 6. Framför allt, minskar diffusionen av vatten regleras i translationell (termisk) rörelse av vattenmolekyler i de tidiga ögonblicken av ischemi på grund av den energi misslyckande 7. Detta resulterar i sin tur i syrefria depolarisation av neurala celler 8. Diffusion MRI (DWI) har blivit en guldmyntfot diagnostiska bildgivande modalitet för akut stroke 9. DWI signalen ökar snabbt svar på ischemi tillåter ischemisk vävnad identifieras men visar inte någon gång-beroende under de första timmarna av ischemisk stroke 10. Jämväl, kvantitativa mått vatten diffusion såsom den skenbara diffusionskoefficienten (ADC) eller tracen av den diffusion tensor (Dav) minska snabbt i ischemisk vävnad, men visar ingen relation med tiden från stroke debut i djurens stroke modeller 10 och patienter 11.
Kvantitativa MRI (qMRI) avkoppling parametrar, qT1, qT2 och qT1ρ, regleras av roterande rörelse och utbyte av vatten väteatomer och Visa komplexa tidsberoende förändringar i hjärnparenkymet efter ischemisk energi misslyckande 6. Sådana tidsberoende förändringar aktiverat stroke debut tid uppskattas i patienter 12 och djurmodeller av ischemi 13,14,15. I råtta fokal stroke, qT1ρ ökar nästan omedelbart efter ischemi uppkomsten och fortsätter linjärt för minst 6 timmar 13,14. qT1 avkoppling gånger också öka i en tidsberoende mode i ischemiska hjärnvävnaden som kan beskrivas av två tidskonstanter: en inledande snabb fas följt av en långsam fas varar i timmar 8,16. På grund av denna bifasisk ökning, kan användning av qT1 i stroke timing vara mer komplicerat än för qT1ρ MRI 15. qT2 avkoppling gånger visar också en bi-phasic förändring i råtta fokal stroke, whereby det är en initial förkortning inom den första timmen, följt av en linjär ökning med tiden 13. Den inledande förkortningen kan förklaras av två parallellt löpande faktorer inklusive: (i) uppbyggnaden av deoxyhemoglobin resulterande i den så kallade ‘negativa blod syresättning nivå beroende effekt’ och (ii), övergången av extracellulära vattnet till den intracellulära utrymmet 17,18. Tidsberoende ökningen av qT2 beror sannolikt på cytotoxiska och/eller vasogenic ödem med efterföljande uppdelning av intracellulära makromolekylära strukturer 18. Både qT1ρ och qT2 data ge noggranna uppskattningar av stroke debut tid i prekliniska modeller 14. qT2 12 och T2-vägda signal stödnivåer 19,20 har också utnyttjats för stroke debut tid uppskattning i kliniska inställningar.
Förutom hemisfäriska skillnader i kvantitativa avkoppling tider, kan rumslig distribution av förhöjda avkoppling gånger inom regionen ischemisk också tjäna som surrogat för stroke insättande tid 14. I råtta modeller av stroke, regioner med förhöjda qT1ρ, qT2 och qT1 avkoppling gånger initialt mindre än diffusion definieras ischemisk lesion men öka med tiden 14,15, 21. Därmed kan kvantifiering av den rumsliga fördelningen av förhöjda avkoppling gånger som en procentandel av storleken på ischemisk lesion också stroke debut tid att vara uppskattningsvis 14,15. Här beskriver vi protokollet för att fastställa stroke debut tid i en råtta modell av stroke med hjälp av qMRI parametrar.
Det nuvarande protokollet för uppskattning av stroke debut tid hos råttor använder kvantitativa diffusion och avkoppling tid MRI data snarare än signal intensiteten hos respektive vägda herr kontrast bilder19. Senaste rönen pekar sämre prestanda av bilden stödnivåer för att uppskatta stroke insättande tid 14,25. I ‘diffusion-positiv’ stroke lesionen vår MRI-protokollet ger stroke debut gånger från qT1 och qT2 MRI data med en noggrannhet av hälften en timme eller så. Det är en allmän trend att qT2 data utklassar som qT1. Den bästa noggrannheten för debut tid bestämning erhålls från volymen av överlappande förhöjda qT1 och qT2 (Vöverlappar varandra).
Bilderna i figur 1 visar att även den nedsatta diffusionskoefficienten verkar snarare uniform, regioner med onormal qT1 och qT2 är ojämnt spridda inom ischemisk lesion. Detta konstaterande är i enlighet med tidigare iakttagelser och beror sannolikt på olika känslighet för dessa qMRI parametrar till patofysiologiska förändringar som orsakas av ischemi 6. Detta antyder att qMRI parametrar kan vara informativ vävnad status och stöder föreställningar att DWI över uppskattar ischemisk skada 26. Ja, senaste prekliniska bevis pekar mot heterogenitet av ischemisk skada inom diffusion definieras lesioner 27. Därför ger kombinationen av diffusion, qT1 och qT2 potentiellt information på stroke debut tid och vävnad status, vilka båda är kliniskt användbara för behandlingsbeslut angående patienter med okänd debut.
Vöverlappar varandra och f2 gav de mest exakta uppskattningarna av stroke debut tid. Fördelen med kvantifiera avkoppling gånger är till skillnad från signal stödnivåer är okänslig för inneboende variationer orsakade av tekniska faktorer såsom magnetfält inhomogeneities och proton densitet 6, inklusive det beräknade magnetfältet variation inom ischemisk lesion 18. Minskad osäkerhet i samband med insjuknandet tid uppskattningar av qT1 och f1 sannolikt på grund av de ovannämnda bi-phasic Svaren av qT1 ischemi, vilket bidrar till grunt slutta av tidsberoende qT1 ändra 8,15,16. MRI data visas (figur 2) är enligt tidigare verk 13,14, däri tidsförlopp avkoppling tid skillnaderna mellan ischemisk och kontralaterala icke-ischemisk hjärnan är tillräckligt beskrivs av linjära funktioner. Det är dock viktigt att notera att underbyggnaden hydrodynamiska ändringarna på grund av ischemi inte är linjär 1,18.
Det nuvarande MRI-protokollet för stroke tiden demonstreras i råttor som utsatts för permanent ischemi med Longa et al. förfarandet 22. Vår erfarenhet, de Longa et al. proceduren misslyckas att framkalla MCAO i 10-20% av råttor, dock kan som ADC används för att kontrollera förekomsten av ischemi, experimenten avslutas förtidigt. Underlåtenhet att inducera MCAO beror ofta på ofullkomlig occluder tråd. Ytterligare en faktor som leder till experimentella fel är att MCAO är en svår procedur som orsakar döden av upp till 20% av råttor under en långvarig MRI-session.
Stroke debut timing protokollet gäller endast permanent ischemi. I råtta fokal ischemi med reperfusion, kommer att förhållandet mellan Dav och qT1 eller qT2 separera som Dav återhämtar sig, men kan inte för qT1 och qT2 beroende på löptid ischemi före reperfusion 8,28. Dessutom sannolikt utvecklingen av ischemisk skada mer variabel hos strokepatienter på grund av individuella skillnader i faktorer som påverkar mikrocirkulationen såsom ålder och komorbiditet (t.ex., diabetes, hypertoni, hjärtsjukdom). Dessa faktorer kommer oundvikligen att påverka den tid beroendet av f1, f2 och Vöverlappar med mänskliga drag och kräver utredning i kliniska inställningar.
Avslutningsvis ge qMRI parametrar uppskattningar av stroke debut tid. Vöverlappar varandra och f2 ge de mest exakta uppskattningarna och kan också vara informativ vävnad status. qMRI kunde därför vara kliniskt fördelaktigt när det gäller medhjälp behandlingsbeslut för patienter med okänd debut tid. Ett problem här är att förhållandet grå-till-vitt-frågan i råtthjärna är mycket högre än hos människor, och hydrodynamik i dessa hjärnan vävnadstyper kan variera 18. Dock ytterligare undersökning in i det tid beroendet av f2, Vöverlappar och qT2 hyper akut stroke patienter är befogad.
The authors have nothing to disclose.
BLM är mottagare av EPSRC doktorandtjänst och fick ett resestipendium till Östra Finlands universitet från School of Experimental Psychology, University of Bristol. MJK finansieras av Elizabeth Blackwell Institute och Wellcome Trust internationellt strategiskt stöd fonden [ISSF2: 105612/Z/14/Z]. KTJ och OHJG finansieras av Finlands Akademi, UEF-hjärnan strategisk finansiering från Östra Finlands universitet och av Biocenter Finland. Arbetet stöds av The Dunhill Medical Trust [licensnummer R385/1114].
Magnetic Field Strength | Operation Frequency | ||
MRI scanner | Agilent, Santa Clara, CA, USA | 9.4T | 400.13 MHz |
Linear volume transmit RF-coil | RAPID Biomedical, Rimpar, Germany | – | 400.13MHz |
Actively decoupled receive coil | RAPID Biomedical, Rimpar, Germany | – | 400.13MHz |
Rat head holder | RAPID Biomedical, Rimpar, Germany | ||
i-Stat handheld blood-gas analyzer | i-Stat Co, East Windsor, NJ, USA | ||
Pneumatic pillow breathing rate monitor | SA Instruments Inc, Stony Brook, NY, USA | ||
Rodent rectal temperarure moniring device | SA Instruments Inc, Stony Brook, NY, USA | ||
Name | Company | ||
Chemicals | |||
Isoflurane: Attane Vet 1000mg/g | Piramal Healthcare UK Ltd, Northumberland, UK | ||
2,3,5-Triphenyltetrazolium cholide=TTC | Sigma-Aldrich, Gillinham, Dorset, UK |