使用超声定位显微镜对大鼠脑微血管系统进行二维超分辨率可视化
March 28th, 2025
在这里，我们描述了一种超声定位显微镜 （ULM） 协议，该协议实现了 12.5 μm 的空间分辨率，可以对大鼠的脑微血管系统进行成像。它能够详细地可视化血流方向和速度，为推进脑循环和血管疾病的研究提供了强大的工具。
我们的研究范围集中在开发超声定位显微镜协议，以实现大鼠脑微血管系统的超分辨率成像。我们的目标是解决在小血管成像中平衡特殊分辨率和穿透深度的挑战，提供对健康和疾病状态下血管结构和血流动态的详细见解。
我们的方案具有实现 12.5 微米高空间分辨率的优势，同时保持高达 12 毫米的穿透深度，超越了 MRI、CT 和双超声等传统方法。与光学技术不同，它可以同时对深部大脑区域进行成像、重建微血管结构和可视化血流动力学。
我们的研究结果为研究神经系统疾病（如胶质母细胞肿瘤和阿尔茨海默病）的微血管变化铺平了道路。以高分辨率可视化血流动力学和微血管结构的能力为研究疾病进展、治疗效果以及肌肉改变与大脑功能之间的关系开辟了新的机会。
[旁白]首先，将麻醉的大鼠放在手术台上。将大鼠的上门牙固定在门牙杆的凹口中，将下颌定位在门牙杆下方。将耳杆放置在骨压痕处，略前方和上方耳道，确保颅面保持水平。对头部的不同部位施加少量压力以评估稳定性。微调成像平台的高度，并使用门牙槽口调整大鼠头部的角度，以确保呼吸畅通无阻。将红霉素软膏或 30% 甘油溶液涂抹在大鼠的眼睛上，以保护它们免受手术光的伤害并保持水分。用手持式电动理发器，逆着毛发生长的方向剃掉老鼠的头，覆盖耳朵之间和从眼睛到颈部的区域。现在，沿着大鼠头骨的矢状缝合线做一个切口，从枕骨开始，向前延伸约四厘米。使用止血剂缩回两侧皮肤。或者，切除头骨上方的皮肤，以便更容易进入。用小剪刀从颅骨上取下骨膜，完全暴露坚硬的骨层。使用带有 2.5 毫米球形钻头的手持式迷你颅钻进行开颅手术。轻轻敲击以磨合骨头，一次钻两到三秒，从中心开始，向外进行。每两分钟向钻孔区域注入约一毫升 0.9% 氯化钠溶液，以冷却并冲洗掉碎屑。一旦白骨组织不再一致地连接，就换用更细的一毫米钻头。继续钻孔，直到中央主要血管清晰可见为深棕色，周围组织呈粉红色，微血管呈微红色。制备造影剂时，将SF6气体和冻干造影剂粉末溶解在5毫升0.9%氯化钠中。剧烈摇动混合物以形成微泡或MB悬浮液，最终SF6浓度为每毫升8微升。将 0.8 毫升 MB 悬浮液吸入连接到显微注射泵的 1 毫升注射器中。将带有导管的 26 号留置针插入大鼠的尾静脉并注射。成像前，将中心频率为 15.625 兆赫兹的探头安装在配备夹具的脑立体定位仪的机械臂上。将超声探头放置在暴露的大鼠大脑的正上方，并将耦合凝胶涂抹在暴露的大脑表面，以确保最佳的信号传输。打开软件的主界面，该界面集成了包裹大脑图集和电机运动控制程序。将BGMA点设置为原点，利用软件的实时显示来监测探头的轨迹和对应的大鼠脑切片位置。选择目标成像平面，例如 BGMA 减去一毫米。启动 MATLAB 2021a 软件，并在 MATLAB 2021a 中输入数据采集脚本。在根目录中，在命令行窗口中键入“activate”以激活运行时环境。然后将数据采集的开始和结束深度分别设置为5波长和120波长，以有效捕获感兴趣区域。以 2.5 度的增量将平面波传输转向角从负 5 度设置为 5 度，以提高图像分辨率和对比度。超声定位显微镜显示，深达 12 毫米的微血管清晰可见。对半最大处的全宽分析表明，可检测到的最小血管直径为 13 微米。傅里叶环相关证实微血管成像的空间分辨率为12.5微米。大鼠大脑横截面切片的血流方向显示小皮质动脉向动，小静脉向上流动，分别用蓝色和红色表示。 速度图显示较大容器的流速较高，大多数速度集中在每秒 10 至 25 毫米的范围内。胶质母细胞瘤大鼠模型的影像学显示异常血管扩张、肿瘤附近的结构不规则、肿瘤区域的血流模式改变以及肿瘤内和肿瘤周围的血管流动不均匀。
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概述
本文介绍了一种超声定位显微镜（ULM）协议，该协议可实现对大鼠脑微血管的成像，空间分辨率达到12.5 µm。该技术允许对血流方向和速度进行详细可视化，从而增强对脑循环和血管疾病的理解。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 成像技术
- 血管生物学
背景
- 超声定位显微镜提供超分辨率成像。
- 它解决了小血管成像的挑战。
- 传统方法如MRI和CT在空间分辨率方面有局限性。
- 光学技术在成像深脑区域时存在困难。
研究目的
- 开发大鼠脑微血管高分辨率成像协议。
- 提供对血管结构和血流动态的洞察。
- 提高对脑循环健康和疾病状态的理解。
使用的方法
- 超声定位显微镜协议开发。
- 大鼠脑微血管成像。
- 空间分辨率和穿透深度评估。
- 血流动态可视化。
主要结果
- 实现了12.5 µm的空间分辨率。
- 保持高达12 mm的穿透深度。
- 超过了传统成像方法。
- 能够同时重建微血管结构。
结论
- ULM是研究脑循环的有力工具。
- 它提供了对血管疾病的详细洞察。
- 该协议可以增强未来的神经科学研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
Super-resolution ultrasound localization microscopy (ULM) enables direct, quantitative visualization of brain microvasculature and blood flow dynamics in vivo, overcoming the spatial resolution and penetration depth limitations of conventional imaging. This capability is critical for early-stage target validation and mechanistic de-risking in neurovascular disease models, supporting predictive confidence in translational research. The method's ability to map microvascular architecture and flow at micrometer scale informs portfolio decisions for neurovascular and neurodegenerative therapeutic programs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of microvascular changes in disease-relevant rat models.
- Supports mechanistic de-risking by visualizing vascular alterations linked to neurological disorders.
- Provides quantitative data on vessel structure and blood flow for functional target validation.
- Facilitates predictive confidence in linking vascular phenotypes to disease progression.
Screening & Assay Development
- Prepares validated in vivo models for downstream compound screening targeting vascular endpoints.
- Delivers reproducible, quantitative imaging outputs for assay standardization.
- Enables high-resolution mapping of vascular response to candidate interventions.
- Supports scalability and platform reuse across neurovascular research pipelines.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging outputs with translational biomarkers of microvascular dysfunction.
- Provides continuity from discovery through preclinical validation in disease models.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on quantitative vascular readouts.
- Supports evaluation of treatment efficacy and disease progression in vivo.
Pipeline & Workflow Integration
ULM integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and quantitative assessment of microvascular changes in rat models of neurological disease.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven investigation of vascular mechanisms underlying neurodegeneration and tumor progression.
- Screening: Provides reproducible, quantitative imaging data for evaluating compound effects on microvasculature.
- Analytics: Delivers vessel diameter, flow direction, and velocity measurements for robust condition comparison.
- Translational Research: Bridges preclinical imaging outputs with clinical biomarker strategies in neurovascular disorders.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform for diverse neurovascular and oncology research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neurovascular target validation.
- Operational Value: Standardizes high-resolution imaging workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency by providing early quantitative readouts.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurovascular and neuro-oncology assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound imaging and animal model handling.
- Needs access to high-frequency ultrasound platforms and microbubble contrast agents.
- Demands cross-team standardization of imaging protocols and data analysis scripts.
- Adaptation may be needed for different disease models or anatomical targets.
- Imaging depth and resolution are limited by probe specifications and animal size.
