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方法文章

小鼠脑缺氧缺血期间的同步PET/MRI成像

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DOI：

10.3791/52728

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2015年9月20日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of California, Davis, 2Nuclear Magnetic Resonance Facility, University of California, Davis, 3Biomedical Imaging, Genentech, Inc, 4Department of Radiology, University of California, Davis

本文内容

摘要

本文所述方法采用正电子发射断层扫描与磁共振成像同步成像技术。在脑缺氧-缺血模型中，损伤期间及之后会出现扩散和葡萄糖代谢的动态变化。该模型中不断进展且不可重复的损伤特性要求必须进行同步采集，才能获得有意义的多模态成像数据。

摘要

在脑缺氧缺血过程中及之后，组织水扩散和葡萄糖代谢会发生动态变化，反映出受累细胞的生物能量代谢紊乱。扩散加权磁共振成像（MRI）可识别因缺氧缺血而受损、可能已发生不可逆损伤的脑区。受累组织中葡萄糖利用的改变可通过正电子发射断层扫描（PET）检测2-脱氧-2-(18F)氟-ᴅ-葡萄糖（[18F]FDG）摄取情况来发现。由于该动物模型中损伤具有快速且多变的特性，必须同时采集两种模态的数据，才能对PET与MRI数据进行有意义的相关性分析。此外，不同动物间因血管差异导致的缺氧缺血性损伤变异，会限制多模态数据的分析能力，若不能在单个受试动物中同步获取数据，则难以采用群体分析方法观察变化。本文所述方法可在同一动物个体中，在缺氧刺激前、期间和之后，同步获取扩散加权MRI和[18F]FDG摄取数据，从而探究即时的生理变化。

引言

全球范围内，中风是导致死亡的第二大原因，也是致残的主要原因1。中风发生期间及急性期后迅速出现一系列生化和生理事件，这些事件对组织存活性及最终预后具有重要影响2。脑缺氧缺血（H-I）可导致缺氧缺血性脑病（HIE），据估计，其在足月儿和早产儿中的发生率分别高达0.3%和4%3,4。HIE患儿的死亡率约为15%至20%。在HIE存活者中，有25%会出现永久性并发症，包括智力障碍、运动功能缺陷、脑性瘫痪和癫痫3,4。以往的治疗干预措施尚未被证实足以成为标准治疗方案，即便是目前最先进的低温疗法，其在降低发病率方面的有效性仍未达成共识3,5。其他存在争议的问题还包括低温治疗的实施方式和患者选择标准6。因此，神经保护与神经修复策略仍是当前富有潜力的研究领域7。

自20世纪60年代以来，脑部缺血-缺氧（H-I）的大鼠模型已建立，并随后被改良用于小鼠8,9。由于该模型的特性及结扎部位的影响，不同动物之间侧支血流的差异导致实验结果存在固有的变异性10。因此，与大脑中动脉闭塞（MCAo）等类似模型相比，此类模型通常具有更高的变异性。已有研究通过激光多普勒血流仪以及扩散加权磁共振成像（MRI）实现了对生理变化的实时监测11。在缺氧期间及缺氧后即刻观察到的个体内脑血流变化，以及梗死体积和神经功能缺损等急性结局指标的变异性，提示同步采集和整合多模态数据将有助于提高实验的准确性和可重复性。

近年来，正电子发射断层扫描（PET）与磁共振成像（MRI）同步成像技术的进步为临床前成像领域带来了新的可能性12-14。文献中已描述了这些用于临床前研究的混合式联合成像系统所具备的潜在优势15,16。尽管许多临床前科学问题可通过对单个动物进行序贯成像或对不同动物组分别成像来解决，但在某些情况下——例如，当诸如中风等事件的每一次发生均表现出独特特征且病理生理过程快速演变时——采用同步测量则变得理想甚至必要。功能神经成像即为一个典型示例，近期已有研究在大鼠胡须刺激实验中成功实现了同步的2-脱氧-2-(18F)氟代-ᴅ-葡萄糖（[18F]FDG）PET与血氧水平依赖（BOLD）MRI成像14。

在此，我们展示了在缺氧缺血性脑卒中发生期间进行的同步PET/MRI成像，此时脑生理状态并非处于稳态，而是在缺氧刺激过程中迅速且不可逆地发生变化。通过MRI测量并由弥散加权成像（DWI）导出的表观弥散系数（ADC）所量化的水分子弥散变化，在临床及临床前研究数据中已被广泛表征用于脑卒中的研究。 17,18在MCAo等动物模型中，由于生物能量级联反应导致细胞毒性水肿，受损脑组织中的水扩散迅速下降 18在脑缺氧-缺血的啮齿类动物模型中也观察到ADC的这些急性变化 11,19. [18F]FDG PET 成像已用于脑卒中患者，以评估局部葡萄糖代谢的变化 20，以及少量的 体内 动物研究也已使用[18F]FDG 21，包括在脑缺氧-缺血模型中 22总体而言，这些研究表明缺血区域的葡萄糖利用率降低，但一项采用再灌注模型的研究发现，这些代谢改变与后续梗死的发生之间并无相关性。 23这与已关联于不可逆损伤核心的扩散变化形成对比 21因此，能够获得来自[18F]FDG PET 与 DWI 在卒中进展过程中可同时进行，这有望提供有关损伤进展及治疗干预效果的有意义信息。本文所述方法可轻松适用于多种 PET 示踪剂和 MRI 序列。例如，[15O]H2正电子发射断层扫描（PET）成像结合磁共振扩散加权成像（DWI）和灌注加权成像（PWI）可用于进一步探究缺血半暗带的发展，并验证卒中影像学领域内的现有技术。

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方案

本文所述的所有动物操作和实验程序均按照《动物研究：体内实验报告指南》（ARRIVE指南）进行，并遵循加州大学戴维斯分校经国际实验动物评估和认可委员会（AAALAC International）认证的机构动物护理与使用委员会批准的方案执行。正确的手术操作不应导致动物出现任何疼痛或不适的迹象，但如果观察到此类症状，应采取适当措施，包括给予镇痛剂，或在某些情况下实施安乐死。本研究所述的单侧操作随机选择动物的右侧进行。

1. 单侧颈总动脉（CCA）结扎

  1. 准备无菌区域，将已灭菌的手术器械和材料放置在便于操作的位置。确保加热垫已预热至 37 °C，并将温度探头牢固地放置在垫子上。 务必使用无菌手术巾覆盖手术部位。  
  2. 对动物进行麻醉（异氟烷，空气中浓度 1–3%，流速 0.5–1 L/min），并将动物置于仰卧位，尾部朝外。通过轻捏脚趾检查麻醉效果——若动物处于适当麻醉状态，则不应出现反应。在眼睛上涂抹眼用软膏。
  3. 使用 1–2 根棉签将脱毛膏涂抹于下颈部至胸部上部区域。等待 1–3 分钟，然后用湿纱布或酒精棉签清除毛发和脱毛膏。用聚维酮碘以由内向外画圈的方式消毒切口区域，随后更换为无菌外科手套。
  4. 使用手术剪沿下颈部中线做约 1 cm 的切口。使用手术剪小心地将表层皮肤与周围筋膜分离。
  5. 使用两把 McPherson 微型虹膜持针钳，将右侧颈总动脉从筋膜中分离出来，注意避免损伤静脉或扰动迷走神经。
  6. 用右侧持针钳将右侧颈总动脉稳定地牵出。滴加数滴生理盐水以防止组织干燥。将一段适当长度（2–3 cm）的 6-0 丝线从右侧颈总动脉下方穿过，并用双结方结结扎。可选择使用另一段 6-0 丝线再次结扎。
  7. 将右侧颈总动脉复位，并用无菌海绵头棉签清理切口处多余液体。用 6-0 丝线缝合切口。局部应用利多卡因，剂量不超过 7 mg/kg。
  8. 让动物从麻醉中恢复直至能够自主活动（约 30 分钟），并在术后持续监测，直至动物准备好进行成像。

2. 成像前准备：系统与硬件检查

  1. 设置 MRI 和 PET 系统的硬件和软件，并按以下步骤检查其功能。确保所有物理连接牢固，软件设置选择正确。
    1. 使用空气冷却系统，确保PET系统的运行温度达到规定的5 °C。
    2. 将PET系统安装于MRI孔径内，利用已知的轴向偏移量对齐PET与MRI的视野（FOV）中心。将MRI线圈安装于PET系统的孔径内，并使其与PET系统及MRI磁体中心对齐。
    3. 打开PET电子设备以接通电源和偏置电压（注意：具体步骤因仪器而异）。使用5分钟快速扫描 68检查Ge圆柱体并查看生成的正弦图，以确保所有探测器均正常工作。
    4. 可选地获取用于 PET/MRI 转换矩阵的数据，以实现配准目的：填充一个三维模体（例如，三个装满的球体）用200 µCi的 18F 的水溶液中孵育 15 分钟 使用PET。获取解剖MRI数据：在扫描控制窗口中，选择多层面多回波（MSME）序列（参见 表1对所有三个主要方位重复上述操作：轴向、矢状向和冠状向。
  2.  检查输注泵的设置和运行情况。将泵速设置为 4.44 µl 每分钟，持续 45 分钟 持续输注给药总体积为200 µl，这是20 g动物静脉注射通常推荐的上限剂量。
  3. 检查加热装置的工作状态，确认温度输出足以维持动物体温（37 °C）。检查温度和呼吸监测设备是否正常运行，为将动物放置于动物床做好准备。
  4. 检查 O 的运行情况2 和 N2 流量计（适用于 0.5 L/min：O2 57.2 mg/min 和 N2 在关闭压缩空气源的情况下启动两者，流速为0.575 g/min2 和 N2 开启气源。为避免损坏流量计，请勿在输入压力不足的情况下开启。
  5.  确保异氟烷挥发罐已充分填充。成像前，以1-2%的异氟烷浓度和0.5至1 L/min的气流速度开始麻醉。
  6. 通过确保麻醉、呼吸垫和加热系统已稳固放置并正常工作，来准备动物床。为提高PET/MRI联合配准的准确性，使用定位标记物（例如可在视野范围内的动物床位置附加毛细管管（内含与成像注射浓度相似的放射性示踪剂）。

3. 成像工作流程

完成所有必要的设备检查后，按以下步骤进行成像：

  1. 使用异氟烷麻醉动物，并插入尾静脉导管（28 G针头，PE-10导管长度小于5 cm），导管内充满肝素化生理盐水（10 ml生理盐水中含0.5 ml肝素，1,000 USP/ml）。加热动物和/或尾部可提高导管插入的准确性。可选择在插入部位滴加一滴氰基丙烯酸酯粘合剂，以固定静脉输液管路。
  2. 将动物转移至准备好的动物床。确保动物头部固定牢固，上门齿由门齿杆固定，若使用耳杆，则应正确放置。
  3. 在眼睛上涂抹眼用软膏以防止干燥。插入直肠探针式体温计。确保温度和呼吸读数正常工作。
  4. 抽取待注射的放射性示踪剂剂量（约600 µCi，溶于200 µl溶液中），注入适当长度的肝素化PE-10导管中——PE-10导管长度约为3 m，体积为200 µl。将该导管一端连接至输液泵的注射器，另一端连接至尾静脉导管管路，注意避免刺穿导管。
  5. 将动物床向前滑入磁体孔内，确保不扰动MRI线圈以及任何管线或电缆，尤其是麻醉气体输送管。确保脑部中心与MRI线圈、PET系统及MRI磁体的中心对齐。
  6. （MRI）通过旋转线圈上的调节旋钮进行MRI线圈的调谐与匹配，观察高功率前置放大器的显示，尽量减小阻抗（参见线圈规格）和频率（7特斯拉下1H为300 MHz）的失配。
  7. （MRI）调谐与匹配完成后，获取定位像：选择RARE三平面定位序列，并从扫描控制窗口运行该序列。检查动物位置，必要时重复步骤3.5和3.6。将匀场参数重置为零。
  8. （MRI）在脑内某一区域获取局部点分辨波谱扫描（PRESS）：运行PRESS序列（见表1） ，扫描体积为3.9 mm × 6 mm × 9 mm的矩形区域。使用CalcLineWidth宏命令检查水峰线宽。若半高全宽（FWHM）值符合要求（例如，0.2 ppm），则继续执行步骤3.10；否则，进入步骤3.9。
  9. （MRI）获取场图：运行FieldMap序列（见表1）。利用所得数据运行MAPSHIM宏命令，选择线性及二阶（z2）局部调整，进行多角度投影匀场（MAPSHIM）。 重复步骤3.8。
  10. （MRI）设定DWI扫描的切片平面（见表1）：使用几何编辑器（Geometry Editor），确保采集视野（FOV）覆盖脑内目标感兴趣区域。若所得切片平面符合预期，可在扫描控制窗口中将此切片平面复制至后续所有DWI扫描。开始采集。
  11. （PET）在PET采集准备就绪后，启动输液泵。待预定延迟时间（导管内生理盐水已注入）结束后，开始PET采集（见表1），以捕捉放射性示踪剂进入过程。监测计数率，观察计数是否逐渐上升，以判断注射是否成功。
  12. 10–15分钟后，启动缺氧刺激，同时执行步骤3.12。启动缺氧刺激时，关闭医用空气气流，立即开启O2和N2流量计，并按预设参数调节，提供8%氧气和92%氮气，同时将异氟烷浓度降至0.8%。切勿在无输入压力的情况下开启流量计。
  13. （MRI）与步骤3.12同时，开始在步骤3.10中准备的DWI采集（扫描“H1”）。
  14. （MRI）在扫描H1完成后，立即开始在步骤3.10中准备的DWI采集（扫描“H2”）。通过关闭流量计、恢复医用空气气流，并根据生理监测结果将异氟烷浓度调回适当水平，结束缺氧刺激。
  15. （MRI）在步骤3.10中准备的缺氧后DWI扫描。此扫描完成后，关闭输液泵。
  16. （MRI）获取轴向和矢状面的解剖图像。在扫描控制窗口中选择MSME序列（见表1）。使用几何编辑器，确保采集视野覆盖整个脑部。
  17. 取出动物，待其恢复自主活动后放回笼中，并监测发病迹象；必要时以CO2实施安乐死，随后以颈椎脱位作为辅助方法。

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结果

图1展示了在使用6-0丝线缝合关闭切口前，对颈总动脉进行正确结扎后的结果。

在本方法中，成像所获得的数据高度依赖于实验的时间安排，而时间安排又受到包括图像采集方案和设备设置在内的实验限制所决定，同时也决定了这些限制。这些及其他相关因素将在讨论部分进一步探讨。通过本文所述的实验方案，设备的物理设置（图2A）可在快速引入缺氧刺激（图2C）之前、期间和之后（图2B），实现 uninterrupted 多模态图像采集。

在此动物模型中，与许多缺血性卒中模型一样，损伤后可迅速检测到扩散性质的变化（代表性示例如图3A所示）。由于本方法并未从根本上改变脑部H-I模型，因此扩散变化能够被稳定地重现——图3B展示了对侧（未闭塞，左侧）与同侧（闭塞，右侧）脑区在z方向上的表观扩散系数（ADCz）随时间演变的百分比差异（%L-...

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讨论

在颈总动脉结扎后低氧刺激期间，成功地从实验动物获取了同步的解剖 MRI、动态 DWI-MRI 及 [18F]FDG PET 数据。  此方法为研究脑缺血损伤相关的快速演变的病理生理过程提供了一种强大的多模态成像实验范式，并可轻易拓展用于研究其他 PET 放射性示踪剂（例如神经炎症标志物）和 MRI 序列，以及在缺血刺激期间或之后不久评估干预策略的影响。

在脑缺血-缺氧（H-I）模型中成功实施缺氧刺激期间的同步PET/MRI成像，必须考虑实验的后勤安排，并相应调整方法。可能影响实验时间安排的因素包括但不限于：1）放射性来源——根据所用放射性示踪剂、放射性核素的半衰期以及比活度要求，可能影响可成像动物的总数；2）房间布局——可能影响所用管路的长度，从而影响注射剂量，或需要额外步骤以维持注射剂量；这也可能对麻醉管路中气体混合物达到平衡所需的时间产生轻微影响；3）动物体重——某些机构可能对存活手术的总注射体积设定限制（例如，小于体重的1%），这反过来可能影响管路长度和输注泵速率的设置...

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披露

JM 和 SW 是基因泰克公司的员工。

致谢

作者谨此致谢加州大学戴维斯分校分子与基因组影像中心以及基因泰克公司生物医学影像部门。本研究工作获得了美国国立卫生研究院生物工程研究合作伙伴计划基金的支持，基金编号为 R01 EB00993。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
手术
手术剪RobozRS-5852
镊子RobozRS-5237
哈特曼蚊式止血钳Miltex7-26
2 把麦克弗森缝合镊，8.5 cm精准手术 &和科学仪器4473使用血管钳夹持颈动脉时，用带子减小钳口宽度是有帮助的
6-0 硅胶涂层编织丝线，带 3/8 C-1 针Covidien SofsilkS-1172
恒温毯系统哈佛仪器507220F
超级胶水（通用）
缺氧
氧气流量计Alicat ScientificMC-500SCCM-D
氮气用流量计Alicat ScientificMC-5SLPM-D
O2 计多系统萎缩Altair Pro
成像
7.05 特斯拉磁共振成像系统BrukerBioSpec20 厘米内径磁体，配备梯度线圈。Paravision 5.1 软件。
直径35毫米的1H射频发射/接收体积线圈布鲁克T8100
PET 系统（自制）4x24 LSO-PSAPD 探测器，
每探测器10x10 LSO阵列，
1.2 mm 晶体节距，14 mm 深度。14 × 14 mm PSAPD。视场：60 × 35 mm。能量窗：350–650 keV。时间窗：16 nsec。
血管插管 Dumont 镊子RobozRS-4991
PE-10 聚乙烯管BD Intramedic427401
输注泵Braintree ScientificBS-300
动物监测 && 门控设备Small Animal Instruments Inc.Model 1025仅使用呼吸监测
带温度调节的动物床（自制）

参考文献

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