注册生物成像，纳米材料可用于诊断和治疗监测

该程序的总体目标是对磁性标记或药物配制的纳米颗粒的分布进行成像并评估其治疗效果。这是通过首先制造颗粒，在实验室模型系统中测试其细胞摄取的生物学特性，然后注射载细胞制剂并通过生物成像评估其组织分布来实现的。在注射病毒感染的单核细胞衍生的巨噬细胞之前和之后，受影响的大脑区域都可以看到。

该程序的第二步是对包含细胞负载、磁性标记或治疗性纳米颗粒的大脑子区域进行成像。这是在注射含有磁性标记纳米颗粒或纳米制剂药物的细胞后的不同时间完成的。该程序的第三步是对纳米颗粒、生物分布和细胞改变进行终点组织学分析。

成像结果的共同配准与组织学完成。该程序的最后一步是量化和显示纳米颗粒的生物分布，确定光谱异常并评估弥散张量异常作为放置细胞注射后时间的函数。最终，可以获得结果，通过磁共振成像和光谱学获得结果，显示治疗和诊断纳米材料处理对大脑化学和细胞形态的生物分布和影响，这些核磁共振成像和光谱与组织学分析共存。

大家好，我是 Michael Bosca 博士，内布拉斯加大学医学中心生物成像项目主任。这项工作是我的实验室和 Howard Gendelman 博士的实验室之间持续合作的一部分。与共聚焦显微镜、荧光纳米颗粒等常用方法相比，非侵入性成像的主要优点是可以在一次检查中覆盖整个大脑，并且可以对同一只动物进行纵向研究。

这减少了生物变异性，需要更少的动物，并且在许多情况下可以转化为人类使用。这种方法可以帮助回答有关新衍生纳米颗粒的关键问题，包括生物分布、药代动力学特征和治疗效果。稳健的成像程序与组织学共同登记相结合是独一无二的，并且在复杂的疾病动物模型中进行时间分辨生物分布和药物疗效研究需要证明这些程序将是我实验室的技术人员 Lindsey 和 Melissa 以及博士后研究员 Dr.P.他们负责从实验室中的动物获取成像数据。

Aaron 和 Mariano 负责图像处理，包括弥散张量成像和组织学共配准。大家好，我是 Howard Delman 博士，是内布拉斯加大学医学中心 Carol Schwartz 新兴神经科学实验室的主任。与 Basca 博士及其实验室的跨学科合作对一系列神经退行性疾病的治疗和诊断具有广泛的意义。

磁驻留光谱和弥散天子成像异常用于监测疾病期间的神经元和神经过程损伤。对于当前的项目，该方法深入了解了纳米药物的生物分布功效，例如全身药物分布和神经系统的治疗效果。正在开发一系列颗粒制造技术，这些技术可以改善疾病期间细胞分布的检测，包括改变颗粒大小、涂层和电荷。

这些都将继续是我们实验室内活跃的研究领域。首先，应制备用于药物递送和生物分配的纳米材料，这是本期平行手稿的主题。首先，在涂覆适当的表面活性剂之前，用相同大小的颗粒或研磨的超顺磁性氧化铁替换药物核心或液滴，复制用于体内使用的候选纳米制剂。

然后测量大小、电荷形状和细胞毒性，以确定 SPIO 模型系统是否与候选纳米制剂药物具有相同的特性。最后，通过与候选 SPIO 模型纳米制剂孵育进行细胞加载测定，以使用悬浮在琼脂凝胶中的标记细胞组成的模型确定细胞内的活性，应以一系列浓度制备一式三份，以量化由于 SPIO 在细胞中摄取的活性。这提供了一个灵敏度指数，并确定了纳米制剂是否会影响氧化态，从而确定磁共振成像扫描中 SPIO 的可见性。

扫描前，将动物置于预填充有麻醉气体的麻醉室中。这将加快麻醉的开始，并最大限度地减少确保动物在从腔室中取出时不会醒来所需的时间。完全麻醉后，将动物从腔室中取出并放入配备监测呼吸频率和温度的立体定向支架中。

将动物的头部放入头架中，固定耳罩并用纱布将身体贴上。动物支架应配备可调节的齿条，允许头部垂直和水平对齐，确保头部正确定位在绳状喙方向，并且头部没有旋转。检查表面线圈是否正确放置在头部上，以便旋转动物支架。

当磁铁在磁体中时，将为可能发生在动物之间的微小旋转提供补偿。将动物固定在支架中后，将支架放入 MRI 扫描仪中。现在将带有表面线圈的支架移动到扫描仪的中心。

主动解耦的 72 毫米谐振器用于传输射频能量以产生信号，而磁头线圈用于信号接收。现在使用绳状喙方向的实时一维读数确定初始位置。使用表面线圈接收将信号限制在表面线圈周围的区域，从而限制了对观察到的波形进行解释的需要。

然后获取一个三平面定位器，以确定动物在扫描仪中的精确位置。接下来需要对磁场的均匀性进行匀场或调整。为此，我们使用了 Hobie Heatherington 博士开发的多梯度回波序列和映射软件，该软件将均匀性区域与每种单独成像方法检查的区域相匹配。

一旦匀场完成，就可以获取感兴趣的扫描。在注射动物之前，首先可以通过高分辨率三个 DT 双星加权 MRI 检测含有 SPIO 的 SPIO 的生物分布作为信号丢失区域，确定要从 LOCALIZER 扫描的大脑区域。然后规定高分辨率 3D 梯度，以 150 微米各向同性分辨率调用回波序列。

获取基线扫描，然后注射动物并再次获取相同的序列。可以使用弥散张量成像和氢磁共振波谱检查来确定纳米药物治疗效果的平行研究。首先获取 S 侦察图像并填充要扫描的区域。

然后在我们的扫描中使用呼吸门控自旋回波扩散、加权回波平面成像序列获取 DTI。使用的扩散编码是具有 12 个方向的平衡旋转和变体以及交替极性 ISO 大教堂方案，编码方案旨在减少背景扩散梯度耦合。总采集时间为 20 至 40 分钟，具体取决于呼吸频率。

接下来，获取 Mr.Spectroscopy。在先前采集的图像上找到感兴趣区域，对所选区域执行匀场，然后优化水抑制脉冲的功率。测量水频率以确保共振水信号，并在光谱质量不足时获取较短的测试光谱以提供质量控制。

检查系统设置，包括无线电频率、功率和垫片设置。最后，在两次采集之间重置系统频率，以消除磁场漂移的影响，以短块采集光谱。在收购结束时。

使用单脉冲水谱作为预定义的前置放大器增益作为定量信号幅度参考。在该系列的最终 MRI 扫描后，灌注鼠标，取出大脑并将其嵌入一块 OCT 化合物中，该化合物已使用一滴印度墨水变暗。然后将此块放入低温恒温器中进行切片和组织学分析。

使用安装在低温恒温器前面的数码相机采集块面图像。应每 50 微米通过整个脑体积编号拍摄一次图像，切片以允许在体积内配准。组织学处理和染色后，对齐各个块状面切片以重建 3D 体积。

使用模块轮廓来说明低温恒温器头位置的抖动，然后使用 analyze 软件包中基于种子的区域增长算法自动分割脑体积。超顺磁性氧化铁会导致 T 双星加权 MRI 中的信号丢失，因此，MRI 信号空虚是其存在的敏感但非特异性标志物。为大脑中存在 SPIO 提供敏感性和特异性。

应从注射前和注射后的 3D MRI 扫描中创建减影图像以供我们的研究。使用我们实验室开发的受限水平集方法对扫描进行子成像。然后将子成像的脑体积共配准信号强度归一化，并减去体积以检测大脑内信号丢失的区域，该区域不沿边缘，以消除来自任何亚像素配准错误的强制正信号。

接下来，通过使用块状人脸图像作为公共参考来完成组织学和 MRI 之间的共同配准。这两个信号的准确共定位提供了一种衡量组织学共配准和翘曲回切片原始形状的准确性的指标。DTI 扫描可以通过首先选择和解剖感兴趣的区域来确定组织在特定解剖亚结构中的平均扩散特性来分析。

在我们的研究中，然后使用 Dr.Cada Hassan 提供的以交互式数据语言编写的自定义程序对扩散加权数据进行分析。San 分析生成张量扩散率、平均扩散率和分数 anes 萎缩的图。构建映射后，也可以获得扩散张量的横向和纵向分量。

在 T 两个加权 MRI 上绘制感兴趣的区域，上面覆盖着颜色编码的方向性图。此处显示了我们在 HIV 小鼠模型中的实验中选择用于分析的区域的示例。来自每个感兴趣区域的数据将下载为文本文件，以便稍后输入到数据库中。

我们实验室显示了来自单个光谱的 MRS 曲线拟合结果示例。我们采用了一种称为 Quest 的时域拟合方法。在 J-M-R-U-I 信号处理包中。

Quest 使用单个代谢物谱图的线性组合来拟合谱图，以在受激谱图和实际谱图之间执行至少平方最小化。我们使用 22 种单独代谢物的基础集作为潜在的影响因素。使用单个代谢物溶液的光谱模拟和验证基光谱。

使用这些方法的 SPIO 标记巨噬细胞的生物分布示例在此处看到，红色叠加了 MRI 检测到的标记细胞的位置，蓝色为蓝色，重叠的黄色为使用共注册组织学的标记细胞的位置。小鼠将标记的单核细胞衍生的巨噬细胞注射到尾静脉中。5 天后，获取 T 二星加权 MRI 并按描述进行处理。

通过将感染 HIV 的人巨噬细胞注射到大脑中来制备小鼠，这被视为一组检测到的小鼠单核细胞衍生的巨噬细胞。在我们之前的出版物中可以看到标记细胞检测和与组织学共配准的更多示例。在实验室模型系统中，需要制造颗粒并测试其细胞摄取的生物学特性，并且需要在无菌程序下进行，以用于这些动物研究。

载细胞制剂的注射必须在不影响静脉通路的情况下进行，因为它会影响大脑和其他组织区域，细胞生物制剂与生物成像技术的整合以及强大的交叉协作场景被证明对整个项目的成功至关重要。一旦掌握，这些程序可以在两个小时内完成，具体取决于在执行程序期间是否有训练有素的人员来设置位置和校准系统。重要的是要记住保持无菌状态，这样脆弱的免疫功能低下的小鼠才能在系列研究的时间过程中保持活力，其中一些研究可以持续数月。

这些方法为研究人员如何探索使用组织学可视化的细胞改变与检测到的形态学、生理和生化异常之间的关系奠定了基础。在组织学的大脑共配准中使用神经影像学方法具有挑战性，并且只有少数小组完成了这项工作。看完这个视频后。

您应该了解如何在啮齿动物疾病模型上进行脑成像实验并与组织学进行共配准。这可用于测量超顺磁性氧化铁颗粒的生物分布。或者，MRI 可以和定位 Mr.Spectroscopy 可用于跟踪疾病过程中看到的神经退行性变。

然后可以连续评估改善脑损伤的治疗效果。影像学检查可与组织学联合使用，以验证实验结果。总体而言，这些方法将为纳米颗粒、生物分布和治疗效果提供一套动态和精确的测量方法。