Method Article

Zweidimensionale superauflösende Visualisierung der Mikrovaskulatur des Gehirns von Ratten mittels Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie

DOI:

10.3791/67813

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March 28th, 2025

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1Department of Biomedical Engineering, Fudan University, 2Academy for Engineering and Technology, Fudan University, 3School of Information Science and Technology, Fudan University, 4State Key Laboratory of Medical Neurobiology, Fudan University

In This Article

Summary

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Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Ultraschalllokalisationsmikroskopie (ULM), das eine räumliche Auflösung von 12,5 μm erreicht, um die Mikrovaskulatur des Gehirns bei Ratten abzubilden. Es ermöglicht eine detaillierte Visualisierung der Richtung und Geschwindigkeit des Blutflusses und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die Weiterentwicklung von Studien zu zerebralen Durchblutungs- und Gefäßerkrankungen.

Abstract

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Die zerebralen Mikrovaskulatur bildet ein komplexes Netzwerk von Gefäßen, die für die Aufrechterhaltung der Gehirnfunktion unerlässlich sind. Krankheiten wie Schlaganfall, Alzheimer, Gliome und vaskuläre Demenz können das mikrovaskuläre System tiefgreifend stören. Leider bieten die derzeitigen medizinischen Bildgebungsmodalitäten nur indirekte Beobachtungen in dieser Größenordnung. Inspiriert von der optischen Mikroskopie überwindet die Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie (ULM) den klassischen Kompromiss zwischen Eindringtiefe und räumlicher Auflösung. Durch die Lokalisierung und Verfolgung einzelner injizierter Mikrobläschen (MBs) mit Subwellenlängenpräzision können Gefäß- und Geschwindigkeitskarten auf der Mikrometerskala erstellt werden. Hier stellen wir ein robustes Protokoll für die hochauflösende Bildgebung der Mikrovaskulatur des Gehirns in vivo bei Ratten unter Verwendung einer kommerziellen Ultraschallplattform vor. Diese Methode erreicht eine räumliche Auflösung von 12,5 μm, rekonstruiert die mikrovaskuläre Architektur und liefert detaillierte Informationen über die Richtung und Geschwindigkeit des Blutflusses, was unser Verständnis der zerebralen Mikrozirkulation erheblich verbessert. Das Protokoll kann auf Rattenkrankheitsmodelle ausgeweitet werden und bietet ein leistungsfähiges Werkzeug für die Früherkennung und Behandlung von neurovaskulären Erkrankungen.

Introduction

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Das zerebrale Mikrogefäßsystem, bestehend aus Kapillaren, Arteriolen und Venolen, ist für die Aufrechterhaltung der Gehirnfunktion unerlässlich, indem es die Nährstoffzufuhr, den Sauerstoffaustausch und die Abfallbeseitigung erleichtert 1,2. Störungen in diesem Netzwerk sind mit neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall3, Alzheimer4, Gliomen5 und vaskulärer Demenz6 verbunden, was zu Beeinträchtigungen der Gehirnphysiologie führt. Mikrovaskuläre Veränderungen gehen häufig dem Auft....

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Protocol

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Alle Tierversuche, die in dieser Arbeit durchgeführt werden, sind von der Ethikkommission der Fudan Universität genehmigt (Zulassungsnummer: 2022JS-004). Das Protokoll hält sich strikt an die Tierhaltungsrichtlinien der Fudan-Universität, um eine humane Behandlung der Tiere zu gewährleisten. Vor Beginn des Versuchs muss den Ratten eine einwöchige Periode zur Eingewöhnung in die Umgebung eingeräumt werden, in der sie ausreichend Futter und Wasser erhalten. Die Photoperiode wird sorgfältig in Übereinstimmung mit ihrem biologischen Rhythmus reguliert, um die Aufrechterhaltung normaler physiologischer Zustände zu gewährleisten. Am Ende de....

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Results

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Abbildung 1 zeigt den detaillierten Aufbau für die mikrovaskuläre ULM-Bildgebung im Gehirn in vivo bei Ratten, wobei jedes Element sorgfältig entwickelt wurde, um die experimentelle Variabilität zu minimieren und eine genaue Datenerfassung für zuverlässige hochauflösende Bildgebungsergebnisse zu gewährleisten.

Abbildung 2A zeigt die ULM-rekonstruierte Struktur des Mikrovaskulatursystems im Rattengehirn, positioniert in einem .......

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Discussion

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Dieses Protokoll nutzte ULM erfolgreich, um eine hochauflösende Bildgebung von in vivo Mikrovaskulatur des Gehirns von Ratten durchzuführen. Im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren berücksichtigt ULM gleichzeitig sowohl die räumliche Auflösung als auch die Eindringtiefe. Das freiliegende Rattengehirn wurde nicht durch den Schädel, sondern durch den Schädel abgebildet, um eine Abschwächung und Verzerrung durch das Vorhandensein von Knochen zu vermeiden. Unter einem Schallkopf mit e.......

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Disclosures

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durch das National Key Research and Development Program of China im Rahmen des Grant 2023YFC2410903, die National Natural Science Foundation of China (Grants 12274092, 12034005), das Explorer Program of Shanghai (Grant 21TS1400200), das International Science and Technology Cooperation Program of Shanghai (Grant 24490710400) und die AI for Science Foundation der Fudan University (Grant FudanX24AI016).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AlkoholDICHANG75%
Beamforming-ProgrammInstitut für Biomedizinische Technik an der Universität MontrealMatlab Ultraschall Toolbox 3.4 Version
Gerät zur Aufrechterhaltung der KörpertemperaturRWD Life Science Co., Ltd.69026
Stereotaktisches Instrument für das GehirnRWD Life Science Co., Ltd.71000-RAnpassbar an Atemmaske
Schädel-Mikroinjektions-Set für chirurgische InstrumenteRWD Life Science Co., Ltd.SP0005-R Digitales Mikroskop
RWD Life Science Co., Ltd.DOM-1001
ArzneimittelverabreichungskatheterRWD Life Science Co., Ltd.
Erythromycin SalbeRenhe PharmaH360200181% x 15 g
GasanästhesiemaschineRWD Life Science Co., Ltd.R500IEEnthält Atemmaske
Elektrischer HandclipperGUAZHOUMUMJD-DTJ02
Handheld Mini SchädelbohrerRWD Life Science Co., Ltd.78001
VerweilnadelKindly EnterpriseDevelopment Group Co., LTDÜberdruckmodell ca. 26 g
JodlösungHYNAUThttps://www.hainuocn.com/index/detail/524.html4.5– 5,5 g/L
IQ-DemodulationsprogrammInstitut für Biomedizinische Technik an der Universität MontrealMatlab Ultraschall Toolbox 3.4 Version
IsofluranRWD Life Science Co., Ltd.R510-22-10
MATLAB-SoftwareMathWorksVersion R2021a
MikroinjektionspumpeRWD Life Science Co., Ltd.R462
Natriumchlorid-InjektionSHENG'AO Tiere Pharma Co., Ltd.2700714600,90 %
SonoVueBraccohttps://www.bracco.com/en-se/product/sonovue
KugelbohrerRWD Life Science Co., Ltd.HM1027/HM1010
unterstützt die PositionierungssoftwareRWD Life Science Co., Ltd.V2.0.0.30400
SpritzeFreundlich EnterpriseDevelopment Group Co., Ltd.RWLB1 mL
Tracking-ProgrammJean-Yves Tinevez2016
UltraschallgelJunkang Medical Equipment Co., Ltd.Modell DS-1
UltraschallsondeVERASONICS, INC.L22-14vX LF
Verasonics UltraschallgerätVERASONICS, INC.Vantage-256Ultraschall-Plattform
https://www.dehsm.com/goods-17187.html https://www.rwdls.com/product-solutions/life-sciences/administration/draw-blood Version

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sweeney, M. D., Ayyadurai, S., Zlokovic, B. V. Pericytes of the neurovascular unit: Key functions and signaling pathways. Nat Neurosci. 19 (6), 771-783 (2016).
  2. Wardlaw, J. M., Smith, C., Dichgans, M. Mechanisms of sporadic cerebral small vessel disease: Insig....

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