Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, genau zu der Magnetresonanztomographie (MRT) Bildvolumen mit Histologieschnitten über die Erstellung von kundenspezifischen 3D-gedruckten Gehirn Halter und Slicer Boxen ausrichten.
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Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, genau zu der Magnetresonanztomographie (MRT) Bildvolumen mit Histologieschnitten über die Erstellung von kundenspezifischen 3D-gedruckten Gehirn Halter und Slicer Boxen ausrichten.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht die Abgrenzung zwischen normalem und abnormalem Gewebe auf makroskopischer Skala, indem ein ganzes Gewebevolumen dreidimensional abgetastet wird. Während die MRT ein äußerst empfindliches Instrument zur Erkennung von Gewebeanomalien ist, ist die Assoziation von Signalveränderungen mit einem zugrunde liegenden pathologischen Prozess in der Regel nicht einfach. Im Zentralnervensystem zum Beispiel können Entzündungen, Demyelinisierung, axonale Schäden, Gliose und neuronaler Tod zu ähnlichen Befunden in der MRT führen. Daher hängt die Interpretation von MRT-Scans vom Kontext ab, und daher ist die radiologisch-histopathologische Korrelation von größter Bedeutung. Leider ist die traditionelle pathologische Schnittung von Hirngewebe oft ungenau und inkonsistent, was den Vergleich zwischen histologischen Schnitten und MRT erschwert. In diesem Artikel wird eine neuartige Methodik vorgestellt, mit der das Hirngewebe von Primaten genau geschnitten werden kann und somit eine präzise Abstimmung zwischen Histologie und MRT möglich ist. Das in diesem Artikel beschriebene detaillierte Protokoll wird den Forschern bei der Anwendung dieser Methode helfen, die auf der Erstellung von 3D-gedruckten Gehirnschneidemaschinen beruht. Leicht modifiziert kann es leicht für Gehirne anderer Spezies, einschließlich des Menschen, implementiert werden.
In vivo MRT bietet ein nicht-invasives und sensitives Maß für die Gewebeintegrität auf makroskopischer Ebene. Veränderungen der MRT-Signalintensität, die in vivo beobachtet werden, sind Ergebnismaße in vielen laufenden klinischen Studien. 1 Die Intensitätsänderungen, die im MRT zu sehen sind, können zwar Bereiche von Anomalien im Kontext des gesamten Gehirns identifizieren, sind aber oft nicht spezifisch genug, um pathologische Prozesse zu unterscheiden. Dies gilt insbesondere für dynamische Prozesse, an denen mehrere Pathologien beteiligt sind. Bei der Multiplen Sklerose (MS) oder ihrem Tiermodell überschneiden sich beispielsweise die experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), Entzündungen, Ödeme, Myelinabbau, axonale Zerstörung, Gliose und neuronaler Tod. 2, 3 Um die notwendige Spezifität in Bezug auf die zugrunde liegende Pathologie zu erhalten, muss der Kontext berücksichtigt werden, zusammen mit der Kenntnis der Histologie der MRT-identifizierten abnormalen Gewebe.
Allerdings ist selbst in gut kontrollierten Tierversuchen die Abstimmung von Histologie und in vivo MRT aus verschiedenen Gründen grundsätzlich schwierig. Erstens ist der Unterschied in den dimensionalen Skalen zwischen histologischen Schnitten und MRT von mehreren Größenordnungen. 4 Zweitens muss für einen korrekten Vergleich die Ausrichtung der MRT-Schnittebene mit der Schnittebene des Hirngewebes übereinstimmen, wenn sie geschnitten wird. Aufgrund der Form des Gehirns ist es sehr schwierig, gleichbleibend gerade und genaue Schnitte zu machen, wenn das Gehirn auf einer ebenen Fläche sitzt. Drittens schafft die Größe des Gehirns im Verhältnis zu einem potenziell kleinen Interessenbereich (Läsion, Tumor usw.) ein "Nadel im Heuhaufen"-Szenario für den Pathologen, der das Gewebe bearbeitet. Viertens, selbst wenn das Zielgewebe gefunden wird, wird es üblicherweise so verarbeitet, dass eine Assoziation mit den ursprünglichen MRT-Daten praktisch unmöglich ist. Schließlich ist die traditionelle pathologische Schnittung von Hirngewebe oft ungenau und inkonsistent, was den Vergleich zwischen histologischen Schnitten und MRT-Bildern weiter erschwert.
Frühere Versuche, diese Herausforderungen zu überwinden, beruhten auf der Verwendung von Verformungsalgorithmen, um die Daten und/oder die Platzierung von Referenzmarkern innerhalb oder um das Gewebe herum als Referenz zu registrieren. 5, 6, 7, 8 Der erste Ansatz erfordert komplexe Rechenmodelle, die aufgrund von Datenformatierungen, Bildgebungsartefakten und Veränderungen, die durch die Gewebeverarbeitung verursacht werden, besonders anfällig für Komplikationen sind. 4 Dagegen eröffnet der letztgenannte Ansatz die Möglichkeit, das Gewebe selbst zu kontaminieren oder anderweitig zu schädigen. 9
Der hier beschriebene Ansatz verbessert den Übergang zwischen den Modalitäten durch den Einsatz der postmortalen MRT, um die Lücke zwischen in vivo MRT und Histologie zu schließen. Die postmortale MRT liefert dreidimensionale (3D) Bilder des Gehirns in höherer Auflösung, als dies in vivo möglich ist, und liefert darüber hinaus die Daten, die für die Erstellung eines morphologisch genauen Modells der Hirnoberfläche erforderlich sind. Dieses digitale Modell kann dann verwendet werden, um eine 3D-gedruckte benutzerdefinierte Halterung für das Gehirn zu erstellen. Bei sorgfältiger Positionierung ermöglicht der Gehirnhalter eine präzise, MRT-orientierte Hirnschnittbildung, wodurch der Bedarf an komplexen mathematischen Algorithmen reduziert wird, und die Fokussierung auf bestimmte Regionen für eine gezielte Probenentnahme ermöglicht wird.
Unser Labor hat kürzlich neue Methoden zur Erstellung von individuellen Gehirnhaltern und -schneidern unter Verwendung von postmortaler MRT- und 3D-Drucktechnologie für menschliche10- und Weißbüschelaffen-Gehirne eingeführt. 4 Die beiden Methoden ermöglichen eine genauere Korrelation zwischen MRT und Histologie in einem Forschungsumfeld und ermöglichen letztendlich ein tieferes Verständnis der spezifischen Pathologie, die MRT-Anomalien zugrunde liegt. Sorgfältig konzipierte Experimente, bei denen das Gehirn im Laufe der Zeit wiederholt in vivo entnommen wird, können einen Kontext für die Interpretation der Pathologie liefern, was wiederum die Spezifität der Interpretation der MRT erhöhen kann. Hier stellen wir ein modifiziertes Protokoll in einem einheitlichen Rahmen vor, das auf jedes Hirngewebe angewendet werden kann, unabhängig davon, ob es von nichtmenschlichen Primaten, Nagetieren oder Menschen stammt. Wir stellen eine detaillierte Anleitung und ein entsprechendes Video für die Weißbüschelaffen-Sektion zur Verfügung. Obwohl das Gesamtprotokoll für jeden Gehirntyp gilt, gibt es aufgrund von Unterschieden in der MRT-Erfassung und der Gewebegröße sowie der Herausforderungen, die beim Umgang mit bestimmten Gehirntypen auftreten, je nach Art des zu verarbeitenden Gehirns einige Unterschiede im Ansatz. In dieser Präsentation werden Abschnitte mit dem Zusatz "Mensch" Unterschiede im Protokoll bezeichnen, die für das menschliche Gehirn spezifisch sind.
Alle Tier Handhabung und hier beschriebenen Verfahren wurden in Übereinstimmung mit einem Protokoll, das vom Nationalen Institut für Neurologische Erkrankungen und Schlaganfall Animal Care und Use Committee genehmigt durchgeführt. Die Gehirne wurden von Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) gesammelt induzierte EAE zu entwickeln. 11 Die Gehirne wurden in 10% Formalin für zwischen 3 Wochen und 1 Jahr nach der Euthanasie durch transcardial Perfusion mit 4% Paraformaldehyd gespeichert.
1. Postmortem MRI Vorbereitung und Akquisition
2. Extrahieren von Gehirn-Oberfläche: Mipav 7.2
3. Auswahl Scheibe Standorte: Mipav 7.2
4. Erstellen von MRI-Blade-Karte: Mipav 7.2
5. Importieren von Gehirn und Blade-Gap Oberflächen: Netfabb Berufs
6. Bearbeiten von Gehirn Konturen: Meshmixer
7. Erstellen des Gehirns Slicer Box: Netfabb Profi
8. Drucken des Gehirns Slicer Box auf der Ultimaker 2
9. Schneiden des Gehirns
10. Entfernen Überhänge in Brain Box (Zusatzteil)
11. Marmoset Brain MRI Cradle for Weitere Scan
Der Arbeitsablauf dieses Verfahrens ist in Figur 1 zusammengefaßt Sobald das Gehirn in Scheiben geschnitten wird, wird ein visueller Vergleich zwischen den MR-Bildern und Bildern der oberflächlichen Oberflächen der Brammen zeigt eine gute Orientierungsspiel über mehrere Platten (Abbildung 2). Nachdem die Platten in Paraffin eingebettet sind, werden sie auf einem Mikrotom und gefärbt geschnitten. Eine gründlichere Vergleich zwischen der hochauflösenden MRT Obduktion und den gefärbten Histologieschnitten zeigt eine genaue und konsistente Übereinstimmung über alle Strukturen des Seidenäffchen Gehirns (Abbildung 3).
In diesem Tiermodell der MS, entwickeln die Tiere Läsionen der weißen Substanz in der gesamten weißen Hirnsubstanz zu verbreiten. Diese Läsionen können nichtinvasiv erfasst werden durch MRI durchgeführt wird. Figur 4 zeigt die Fähigkeit dieser Technik, um die pathologischen Substrat der MRT aufzuklären. Kleine Läsionen in vivo MRI nachgewiesen kannsowohl postmortalen MRT und Histologie werden verfolgt. Wie in den Einschüben gezeigt, ist Demyelinisierung innerhalb der Läsionen eine der Hauptkomponenten des MR-Signaländerung (hyperintenser im Vergleich zu umliegenden Gewebe) zu fahren. Die Histologie und postmortalen MRT kann auch Läsionen zeigen verpasste in vivo MRI (Abbildung 4).

Abbildung 1. Arbeitsablauf für ein Seidenäffchen Gehirn Slicer Feld zu schaffen. Das Gehirn ist mit Formalin (A1) befestigt und ein T2-gewichteten MRT mit isotropen Voxel von 150 & mgr; m pro Kante (A2) erworben. Bilder werden verarbeitet und Schwellwertbildung eine binäre Maske (A3) zu erstellen. Die Oberfläche wird dann in 3D-Modellierungssoftware (A4) wiedergegeben. Eine Boolesche Subtraktion zwischen einem Slicer-Vorlage und dem Gehirn-Modell erstellt ein digitales Modell des Gehirns Slicer (B1). Das Gehirn Slicer-Box ist auf einem 3D-Drucker (B2) gedruckt. Das Gehirn ist dann fest in der Slicer Kasten gelegt fürSchneiden (B3). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Von links nach rechts: In - vivo - MRT, MRI postmortalen und Gewebeplatte Fotografie. Schnittebenen wurden auf der Grundlage der postmortalen MRI (B) festgelegt und visuell im Vergleich zu den entsprechenden in vivo MRI slice (A). Das Gehirn wurde dann geschnitten, und die resultierenden Platten gefunden wurden konsistent (C) zu sein. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Hochauflösende Obduktion MRT und HistologieAbschnitt Anpassung. Brammen wurden in Paraffin eingebettet, geschnitten mit einem Mikrotom in 4 um Abschnitte, und gefärbt mit schnell blau und Kresylviolett (B). Die Schnitte wurden dann visuell mit dem 100 & mgr; m abgestimmt T2 * -gewichteten MRI basiert auf Hirnstrukturen (A). Details zum Erwerb dieses Bild sind in dem zusätzlichen Abschnitt des Protokolls und Tabelle 1. Hirnstrukturen: (1) roter Pfeil = innere Kapsel, blauer Pfeil = Commissura anterior; (2) roter Pfeil = Putamen, blauer Pfeil = Tractus; (3) roter Pfeil = Nucleus caudatus, blauer Pfeil = Hippocampus; (4) roter Pfeil = Corpus callosum, blauer Pfeil = zerebrale Aquädukt; (5) roter Pfeil = Colliculus inferior, blauer Pfeil = Pyramidenbahn. Die gestrichelten Kasten in B1 zeigt eine Scheibe, wo, entweder während der Hirnschneiden oder Paraffineinbettung, ein Fehler eine leichte Drehung um die Y-Achse verursacht wird, auf der linken Seite Mismatch der anterioren Kommissur führt. Bitte klicken Sie hier anzuschauenGrößere Version der Figur.

Abbildung 4. Läsionen von in - vivo - MRT Histologie Abschnitt der Spur. Die in - vivo - MRT zeigte keine überzeugenden Hinweise auf eine anomale hyperintenser Signal Läsionen in beiden Tractus (A1) vorzuschlagen. Allerdings zeigt die hochauflösende Obduktion MRI klar hyper intensive Linien in beiden Optik Bahnen (A2). Die schnelle blau / Kresylviolett Fleck eines 4 um Histologie Abschnitt zeigt , dass die hyperintensen Bereiche auf der Ex - vivo - MRT zu sehen sind demyelinierten (A3). In der weißen Hirnsubstanz, zeigt die in vivo MRI subtile hyperintenser bilateral (B1, vergrößerte in den Einsätzen). Die hyperintensen Bereiche sind offensichtlich auf dem hochauflösenden Obduktion MRI (B2). Der LFB Fleck eines 4 um Histologie Abschnitt zeigt, dass diese Bereiche (B3) sind demyelinierten. Nach dem Vergleich mit dem Ausgangswert in vivo MRI und Hämotoxylin-and-Eosin - Färbung wurde die rechte Seite bestimmt eine anatomische Anomalie zu sein, nicht ein demyelinisierten Läsion. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Zusätzliche Codedateien. Brain_Slicer_Parts_Marmoset.stl: Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen. Brain_Slicer_Parts_Human.stl: Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen. Cap_Insert.stl: Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.
Das Protokoll hier skizzierte ermöglicht einen genauen Vergleich zwischen MRT und Histologie Abschnitte. Das Protokoll wird in einem einheitlichen Format dargestellt, das Gehirn von Menschen oder Kleintieren, wie Nagetieren oder marmosets angewendet werden kann. Bedingte Unterschiede zu groß (Mensch) und kleine (nicht-menschlichen Primaten und Nagetieren) Gehirne markiert sind, und im zugehörigen Video und Figuren zeigen wir die Anwendung in der Seidenäffchen. Obwohl das Konzept einfach ist, erfordert das Verfahren viele Schritte, sowie die Verwendung von mehreren Arten von Software. Darüber hinaus möglicherweise einige Probleme für die Richtigkeit dieser Methode beeinflussen, sind wichtig, zu erwähnen.
Die Bildqualität der in vivo MRI ist ein wichtiger Faktor. Zur Minimierung sollten die Unterschiede in der Bildauflösung zwischen MRI und digitalisierter Histologie Bilder, die kleinste mögliche MRI Voxelgröße verwendet werden. Dieses Konzept gilt auch für die Bildqualität des postmortalen MRI. Während die erhöhteAkquisitionszeit in Obduktion MRT erlaubt viel höhere Bildauflösung, kann das Präparat Bildartefakte einführen, wie fokale Signalausfälle im Zusammenhang mit Luftblasen. Diese Artefakte können Bereiche des Gewebes verdunkeln sowie dessen Kontur beeinflussen. Außerdem sind die Dimensionen des Gewebes auf der postmortalen MRI wahrscheinlich durch die Fixierungsprozess und der Dauer beeinflusst. Während die in vivo zu ex vivo kann MRI Spiel eng durch die Verwendung von anatomischen Landmarken in Schichtgeometrie Setup während der Erfassung angenähert werden, eine nichtlineare Registrierung wäre immer noch notwendig sein , ein höheres Maß an Genauigkeit zu erreichen in diesen beiden MRT - Bilder passen.
Das Design des Gehirns Halters und Slicer ist auch ein entscheidender Schritt. Beim Erzeugen des digitalen Modells des Gehirns wird ein Glättungsalgorithmus angewendet, daß das Modell relativ zur festen Gehirn leicht vergrößert. Dies ermöglicht ein leichtes Einführen des Gehirns in die Halterung und Slicer und reduziert scharfe Kanten im Halter &# 39; s Kontur. Wenn jedoch das Modell zu groß ist (beispielsweise um mehr als 5%), kann das Gehirn während der postmortalen MRI und / oder der Schnitt bewegen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Gestaltung des Gehirns Modell anzupassen, so dass das Cerebellum richtig in die 3D-gedruckten Objekt platziert wird. Dies kann besonders schwierig sein, wenn das Kleinhirn hat während des Gehirns Extraktion bei der Autopsie beschädigt wurde.
Beim Drucken mit dem Gehirn Slicer und Halter, muss die Art der 3D-Drucker auch sorgfältig ausgewählt werden. Einige Multi-Jet-Drucker benötigen Nachbearbeitung unter Verwendung eines Ofens Trägermaterial zu entfernen. Während diese Drucker Objekte erzeugen können, die fusionierten als Deposition Modelling Desktop wasserdicht und relativ haltbarer sind (FDM) Drucker, um die Erwärmung Stützen entfernen Sie die Box leicht verziehen kann, Schaufelzwischenräume zu schaffen, die zum Gehirn Kontur nicht perfekt senkrecht stehen.
Das Gehirn sectioning Prozess ist ein weiterer entscheidender Schritt. Vor dem Schneiden the ganze Gehirn in Platten, ist es wichtig, sicherzustellen, dass das Gehirn dicht im Inneren des Gehirns Slicer sitzt: Es gibt keine Bewegung sein sollte, wenn leichter Druck auf das Gehirn angewendet wird. Dadurch wird es möglich machen, die Blätter durch das Gehirn an den genauen Ort von den Ermittlern festgelegt zu schneiden. Eine kontinuierliche, ausgeglichene Druck sollte auf beide Blatthalter angewendet werden beim Schneiden. In Abhängigkeit von der Schärfe der Messer und die Steifigkeit des Gewebes, eine leichte Querschnittbewegung könnte für die Aufrechterhaltung der flachen Schnittflächen von Vorteil sein.
Das Paraffin-Einbettungsprozess kann auch eine Quelle der Fehlausrichtung zwischen den MRT und Histologie sein. Wenn die Gewebeplatte ist nicht flach gegen die Kassette während des Einbettungsprozesses sitzt, gibt es eine Neigung zwischen der Schneidebene des Mikrotoms und der Oberfläche anstelle der Platte sein. Dies wird Schneiden unbrauchbar Abschnitte erfordern eine flache Ebene zu finden, bei dem alle Gewebe ausgesetzt ist. Eine Möglichkeit für die Neigung zu korrigierenwird durch den Winkel der Betrachtungsebene auf dem hochauflösenden isotropen postmortale MRI ändern. Dies ist jedoch nahezu unmöglich, auf die in vivo MRI durchzuführen, die normalerweise mit anisotropen Auflösung (typischerweise dicke koronale Schnitte) erfasst wird.
Schließlich kann das Gewebe eine gewisse Deformation während der Periode Formalinfixierung erfahren und Paraffineinbettung (Schrumpfung), sowie bei der Herstellung von Folien (Falten, Risse, Falten). Einige dieser Verformungen kann, indem man die 4-5 & mgr; m Abschnitte in einem Wasserbad korrigiert werden, bevor auf Objektträger übertragen. Andere Verformungen können teilweise durch Ausführen einer verformbaren Bild Koregistrieren der histologischen digitalisierten Bilder auf die postmortale MRT-Bilder gelöst werden. Dennoch ist die Verformungen mit einer sorgfältigen und qualifizierten Praxis minimiert der effektivste Ansatz, um passende MRI Bände Abschnitte Histologie.
Abschließend stellte die Methodik hier ermöglicht investigators, um genau die zugrundeliegende Pathologie der MRT-Befunde zu bewerten. Allgemeiner gesagt, ist es ein vielversprechender Ansatz zur Identifizierung und / oder neuartigen Biomarker für MRI Studien validiert, die bestimmte pathologische Prozesse, wie Entzündungen oder Remyelinisierung zielen.
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.
Das Intramurale Forschungsprogramm von NINDS unterstützte diese Studie. Wir danken der NIH Functional Magnetic Resonance Imaging Facility. Wir danken Jennifer Lefeuvre und Cecil Chern-Chyi Yen für ihre Unterstützung bei der postmortalen MRT-Akquisition. Wir danken John Ostuni und der Section on Instrumentation Core Facility für die Unterstützung beim 3D-Druck. In Abbildung 1 dieser Arbeit wurden Schnappschüsse aus MeshLab verwendet, einem Tool, das mit Unterstützung des Projekts 3D-CoForm entwickelt wurde.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 7T/30cm USR AVIII Bruker MRT | Bruker Biospin | ||
| 38 mm Bruker Biospin Volumenspirale | Bruker Biospin | ||
| Fomblin | Solvay Solexis | ||
| 50 ml Falcon Zentrifugenröhrchen, Polypropylen, steril | Corning | 21008-951 | |
| Fisherbrand Mullschwämme | Fisher Scientrific | 13-761-52 | |
| Parafilm M Allzweck-Laborfilm | Bemis | ||
| Leica RM2235 Rotationsmikrotom | Leica | ||
| Leica Einwegklingen, flaches Profil (819) | Leica | ||
| Cresylviolettacetat, 0,1 % wässrige | Elektronenmikroskopie | Sciences 26089-01 | |
| Luxol Fast Blue, 0,1 % in 95 % Alkohol | Elektronenmikroskopie Sciences | 26056-15 | |
| ETOH | |||
| Ultimaker 2 Extended | Ultimaker.75 | ||
| kg Offizielles Ultimaker-Marken-PLA Filament, 2.85 mm, Silber Metallic | Ultimaker | ||
| Axio Observer.Z1 | Zeiss | ||
| Zen 2 (Blue Edition) | Zeiss | ||
| Netfabb Professional 5.0.1 | Netfabb | http://www.netfabb.com/professional.php | |
| Meshmixer 10.9.332 | Autodesk | http://www.meshmixer.com/download.html | |
| Mipav 7.2 | NIH CIT | http://mipav.cit.nih.edu | |
| Cura | Ultimaker | https://ultimaker.com/en/products/cura-software |
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