In vivo- sporing av ødemutvikling og mikrovaskulær patologi i en modell av eksperimentell cerebral malaria ved hjelp av magnetisk resonans-bildebehandling
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 er et betydelig globalt helseproblem. 1 Alvorlig malaria er preget av cerebral involvering og er ofte en dårlig prognostisk faktor. Cerebral involvering er vanlig hos barn under fem år i områder med høy malariatransmisjon og representerer den viktigste årsaken til malaria relatert død i denne aldersgruppen. 1 Mens aggressiv behandling kan være livreddende, kan det være vanskelig å påvise cerebral malaria, spesielt i tidlige stadier. De patologiske prosessene som er involvert i cerebral malaria inkluderer mikrovaskulær forstyrrelse og cerebralt ødem, noe som kan føre til alvorlig hjernesvulst. I denne artikkelen presenterer vi en magnetisk resonans imaging (MRI) protokoll som tillater hel hjerne in vivo avbildning av eksperimentell cerebral malaria (ECM). Hele hjernens høyoppløselige billeddannelsesmetoder har blitt mye underutilisert i denne sykdommen, selv om lite er kjent om hvordan ECM initierer i det sentraleNervesystemet eller hvilke spesifikke mekanismer som fører til sykdommen. In vivo MR, som dekker hele hjernen, representerer et viktig forskningsverktøy for å få bedre forståelse av ECM-patologi. MR er i stand til å vurdere global hjernens hevelse, som nylig har blitt anerkjent som en viktig prediktor for død ikke bare i ECM, men også i human cerebral malaria. 2 , 3 Alvorlig hjernesvulst forekommer i dødelig sykdom og representerer en av flere patologiske egenskaper mellom ECM-modellene og den menneskelige sykdommen, en sykdom som preges av både inflammatoriske og mikrovaskulære endringer. 4
ECM kan induceres i CBA eller C57BL mus gjennom infeksjon med dødelig Plasmodium berghei ANKA. 5 Utbruddet av ECM forekommer vanligvis mellom dag 6 og 10 etter infeksjon og resulterer i montering, ataksi, respiratorisk nød og koma, noe som fører til rapId død. 4 Rapid Murine Coma and Behavior Scale (RMCBS) er en nyttig poengsum for å evaluere kliniske symptomer på ECM. Den består av 10 parametere, hver scoret fra 0 til 2, med en maksimal poengsum på 20. 6 Nylig viste vi god avtale mellom alvorlighetsgraden av RMCBS-poengene i ECM-mus og patologiske forandringer demonstrert av MR. 7 I denne protokollen beskriver vi ECM-induksjon i mus og in vivo magnetisk resonansbilder av mus med ECM.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne artikkelen beskriver vi en helhjertet MR-protokoll for å avgrense endringer i eksperimentell cerebral malaria. Vi tror at MR har blitt underutnyttet i malariaforskningen til dags dato, og håper at våre protokoller vil hjelpe andre etterforskere. Vi vil gjerne beskrive noen tilleggspunkter som kan være nyttige.
Hvis alvorlig syke mus er avbildet, er posisjonering avgjørende. På grunn av økt intrakranielt trykk, er musene utsatt for døden, og derfor bør den cervicale ryggraden…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sakkyndig teknisk assistanse fra Miriam Reinig er takknemlig. AH mottok finansiering fra et postdoktoralt stipendiat fra Det medisinske fakultet ved Universitetet i Heidelberg. MP støttes av et memorial stipend fra Else-Kröner-Fresenius Foundation. AKM er mottaker av barselsorlov ved DZIF-akademiet for det tyske senter for infeksjonsforskning (DZIF). JP er mottaker av en Heidelberg Research Center for Molecular Medicine (HRCMM) Karriereutvikling fellesskap. Vi anerkjenner også takknemlig Julia M. Sattler og Friedrich Frischknecht for å gi en eksemplarisk film av sporozoittbevegelse.
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 | |
References
- 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).
