Ein Magnet-Resonanz-Tomographie-Protokoll für Schlaganfall auftreten Zeit Schätzung in ständigen zerebraler Ischämie
16. September 2017
Ein Protokoll für Schlaganfall auftreten Zeit Schätzung in einem Rattenmodell des Schlaganfalls Nutzung quantitativer Magnetresonanz-Bildgebung (qMRI) Parameter wird beschrieben. Das Verfahren nutzt Diffusion MRI zur Abgrenzung von akuten Schlaganfall-Läsion und quantitative T1 und T2 (qT1 und qT2) Relaxationszeiten für Timing der Schlaganfall.
Die Magnetresonanztomographie bietet ein empfindliches und spezifisches Instrument zur Erkennung eines akuten ischämischen Schlaganfalls, indem sie den scheinbaren Diffusionskoeffizienten von Hirngewebe bestimmt, der als ADC bezeichnet wird. In einem Rattenmodell des ischämischen Schlaganfalls nahmen die hemisphärischen Unterschiede in den quantitativen T1- und T2-Relaxationszeiten innerhalb der ischämischen Läsion mit der Zeit ab Schlaganfallbeginn zu. Die Zeitabhängigkeit dieser Differenzen wird heuristisch durch eine lineare Funktion beschrieben und liefert so einfache Schätzungen der Schlaganfallbeginnszeit.
Das Gewebevolumen mit erhöhten T1- und T2-Relaxationszeiten innerhalb der ischämischen Läsion nimmt ebenfalls linear zu, was eine komplementäre Methode für das Schlaganfall-Timing darstellt. Hier stellen wir eine halbautomatische Computerroutine vor, die mittels ADC das akute ischämische Schlaganfallgewebe in der hyperakuten Phase der permanenten fokalen Ischämie abgrenzt. Erhöhte Relaxationszeiten, die auch im ischämischen Schlaganfallgewebe identifiziert wurden, werden zur Bestimmung des Schlaganfallbeginns verwendet.
Männliche Wistar-Ratten mit einem Gewicht von 300 bis 400 Gramm wurden verwendet und erhielten einen dauerhaften Verschluss der mittleren Hirnarterien, um einen fokalen ischämischen Schlaganfall zu induzieren. Für die Dauer der Operation und der MRT-Experimente wird die Ratte über eine Gesichtsmaske mit Isofluran betäubt. Nach einem Schnitt im Nacken wird die Luftröhre freigelegt und die Muskeln werden von der Luftröhre getrennt.
Die Wunde wird erweitert, um den Weg zur Arteria carotis communis (CCA) freizumachen. Das CCA wird freigelegt, während das daneben liegende Nervenbündel vermieden wird. Ein Mikrohaken wird verwendet, um die CCA zu fangen und die Arteria carotis externa, die ECA, und die Arteria carotis interna, die ICA, freizulegen.
Die Durchblutung des CCA wird mit einem chirurgischen Faden blockiert. Die ECA wird vernäht. Der Karotiskörper wird von der ICA getrennt und die Bifurkation der ICA wird so lokalisiert, dass er beim Einführen des Verschlussfadens die linke mittlere Hirnarterie erreicht und blockiert.
Um den ICA wird eine lose Naht eingeführt. In der ICA wird ein Clip so eingesetzt, dass er tiefer als die Naht platziert wird. Die ECA wird in der Nähe des Doppelknotens gehalten, der um die Arteria carotis externa gebunden wird.
Der überschüssige Teil der ECA wird verbrannt, um eine Blutung durch die ECA zu verhindern. Der Okklusionsfaden wird in die ECA eingeführt und die ICA mit der ECA ausgerichtet. Anschließend wird der Faden bis zum Clip vorgeschoben.
Anschließend wird die lose Naht festgezogen, so dass der Faden noch in die ECA gleiten kann. Anschließend wird der Clip entfernt und der Okklusionsfaden weiter vorgeschoben, bis etwa zwei Zentimeter eingeführt sind. Ein weiterer Knoten wird hinzugefügt, so dass aus dem losen Knoten ein Doppelknoten wird.
Die Nähte werden verschnürt und Retraktoren entfernt. Anschließend wird die Wunde verschlossen. Unmittelbar nach dem Verschluss wird die Ratte mit Ohrstöpseln und einem Bissblock in einer Wiege in der Mitte der 9,4 Tesla Magnetstange gesichert.
Während der Bildgebung wird der Isofluranspiegel bei etwa 2 % und die Temperatur mit einem Wasserheizkissen, das unter dem Torso der Ratte platziert wird, bei fast 37 Grad Celsius gehalten. Während der Bildgebung werden die Atemfrequenz und die Rektaltemperatur überwacht. MRT-Daten werden bis zu fünf Stunden nach der Okklusion erfasst und in stündlichen Intervallen werden 12 kongruent abgetastete axiale Schnitte der Spur des Diffusionstensors, CPMG T2 und Flash T1 aufgenommen.
Einzelheiten zu den Sequenzparametern sind im Manuskript aufgeführt. Am Ende des Versuchs werden Ratten getötet und eine Triphenyltetrazoliumchlorid- oder TTC-Färbung durchgeführt, um das Vorhandensein von Ischämie im Rattengehirn zu bestätigen. Einzelheiten zur TTC-Färbung sind im Manuskript angegeben.
Nachdem wir MRT-Daten erhalten hatten, versuchten wir als nächstes, eine halbautomatische Methode zu entwickeln, um das ischämische Gewebe zu erkennen und seine relaxometrische Signatur zu charakterisieren. Die T2-Relaxation wurde als monoexponentieller Zerfall modelliert. T2-Karten wurden angepasst, indem der natürliche Algorithmus entlang der Echozeitdimension genommen und eine lineare Funktion an jedem Voxel angepasst wurde.
Die T1-Relaxation wurde als monoexponentielle Relaxation modelliert, die zur Gleichgewichtsmagnetisierung zurückkehrte, und mit der binären Kreidemethode angepasst. ADC-Maps wurden unter der Annahme eines monoexponentiellen Signalverlusts in Bezug auf den B-Wert berechnet. Nachdem alle quantitativen Bilder vorhanden waren, konnte ischämisches Gewebe mit Hilfe der reziproken ADC-Karten identifiziert werden.
Diese Karten wurden so auf Schwellenwerte gesetzt, dass das Gewebe als ischämisch markiert wurde, wenn der reziproke ADC eine mediane absolute Abweichung über dem medianen reziproken ADC des nicht-ischämischen Gewebes überstieg. Dieser Prozess könnte automatisch und objektiv durchgeführt werden. Mit der Abgrenzung des ischämischen Gewebes wurde die Verteilung von T1 und T2 in jedem interessierenden Volumen berechnet.
Um die Verteilung von T1 und T2 in der kontralateralen Hemisphäre zu erhalten, wurde das interessierende Volumen für das ischämische Gewebe reflektiert. In diesem Beispiel ist zu sehen, dass sich die Verteilungen T1 und T2 mit der Zeit nach dem Beginn nach rechts verschieben. Um die Veränderungen in den Verteilungen von T1 und T2 mit der Zeit zu beschreiben, verwenden wir zwei verschiedene Parameter.
Der Parameter f ist wie gezeigt definiert. Dies ermöglicht eine heuristische Parametrisierung des Anteils von Voxeln in der ischämischen Läsion, die ungewöhnlich hohe oder niedrige T1- oder T2-Werte aufweisen. Es ist erforderlich, dass das Voxel in einer T1- oder T2-Map als hoch, niedrig oder normal kategorisiert werden kann.
Ein hoher T1- oder T2-Wert in der ischämischen Läsion wurde definiert als einer, der 1/2 Maximum über dem Median T1 oder T2 des interessierenden nicht-ischämischen Volumens lag. F1 ist der Anteil der ischämischen Voxel mit hohen T1-Werten, F2 der Anteil der Voxel mit hohen T2-Werten. Zweitens wird das Überlappungsvolumen innerhalb der Regionen des ADC berechnet, das als ischämisches Gewebe mit hohem T1 und hohem T2 identifiziert wurde, normalisiert durch das Gesamtvolumen des Gehirns.
Die Werte F1, F2 und Überlappungsvolumen wurden für alle Ratten zu jedem Zeitpunkt der Messung berechnet. Sie wurden dann separat verwendet, um den Zeitpunkt des Auftretens der Ischämie durch Anpassung eines linearen Modells zurückzuberechnen. Auf diese Weise konnte die Unsicherheit in den Wirkungszutrittszeiten berechnet werden.
Diese Unsicherheiten wurden durch den Root-Mean-Square-Fehler für die lineare Anpassung parametrisiert. Bei der diffusionspositiven Schlaganfallläsion stiegen alle Parameter linear mit der Zeit an. Und gemäß den Root-Mean-Square-Fehlerbalken liefert unser Protokoll Schätzungen der Zeit für den Schlaganfallbeginn mit einer Genauigkeit von einer halben Stunde.
Es ist ein allgemeiner Trend, dass die T2-Daten die T1-Daten übertreffen, und die beste Genauigkeit für die Bestimmung des Beginns der Zeit wird aus dem Volumen der überlappenden erhöhten T1 und T2 erzielt. Regionen mit abnormalem T1 und T2 sind innerhalb der ischämischen Läsion heterogen verstreut, was wahrscheinlich auf die unterschiedliche Empfindlichkeit dieser quantitativen MRT-Parameter gegenüber pathophysiologischen Veränderungen durch Ischämie zurückzuführen ist. Dies deutet darauf hin, dass quantitative MRT-Parameter auch Aufschluss über den Gewebestatus geben können. In dieser Arbeit haben wir ein MRT-Protokoll vorgestellt, das es ermöglicht, den Zeitpunkt des Auftretens eines Schlaganfalls mit großer Genauigkeit abzuschätzen und damit Aufschluss über den Zustand des Hirngewebes während einer dauerhaften Ischämie zu geben.
Der Vorteil der Quantifizierung von Relaxationszeiten zur Abschätzung der Zeit des Schlaganfallbeginns besteht darin, dass sie unempfindlich gegenüber inhärenten Variationen sind, die durch technische Faktoren wie Magnetfeldinhomogenitäten und Protonendichte, einschließlich der erwarteten Magnetfeldvariation innerhalb der ischämischen Läsion, verursacht werden. Es sollte beachtet werden, dass das derzeitige Protokoll nur für permanente Ischämie gilt und die in der Arbeit angegebenen MRT-Datenerfassungsparameter spezifisch für den verwendeten 9,4-Tesla-MRT-Scanner sind. Unsere bisherigen Studien im beigefügten Paper zeigen, dass das Verfahren auch bei 4,7 Tesla akkurat ist.
Insgesamt glauben wir, dass unser Protokoll in der präklinischen Schlaganfallforschung Anwendung findet, einschließlich Studien zur Untersuchung antiischämischer Therapien.
Übersicht
Diese Studie stellt ein Protokoll zur Abschätzung des Schlaganfallbeginns in einem Rattenmodell mithilfe der quantitativen Magnetresonanztomographie (qMRI) vor. Die Methode nutzt die Diffusions-MRT, um akute Schlaganfallläsionen zu identifizieren, und verwendet quantitative T1- und T2-Relaxationszeiten zur genauen Bestimmung des Zeitpunkts des Schlaganfallbeginns.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Magnetresonanztomographie
- Schlaganfallforschung
Hintergrund
- Magnetresonanztomographie (MRT) ist entscheidend für den Nachweis eines akuten ischämischen Schlaganfalls.
- Die Studie konzentriert sich auf ein Rattenmodell, um den Zusammenhang zwischen den qT1- und qT2-Relaxationszeiten und dem Zeitpunkt des Schlaganfalls zu untersuchen.
- Das Verständnis des Zeitpunkts des Schlaganfallbeginns ist entscheidend, um die Behandlungsergebnisse zu verbessern.
- Die Diffusions-MRT trägt dazu bei, ischämische Läsionen effektiv abzugrenzen.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Abschätzung des Schlaganfallbeginns anhand von qMRI-Parametern.
- Beurteilung der Veränderungen der T1- und T2-Relaxationszeiten in Bezug auf das Fortschreiten des Schlaganfalls.
- Bereitstellung eines halbautomatischen Ansatzes zur Identifizierung ischämischen Gewebes.
Verwendete Methoden
- Männliche Wistar-Ratten wurden einer permanenten Okklusion der mittleren zerebralen Arterie unterzogen, um einen Schlaganfall zu induzieren.
- Die Diffusions-MRT wurde durchgeführt, um Daten zu den T1- und T2-Relaxationszeiten zu gewinnen.
- ADC-Karten wurden erstellt, um ischämisches Gewebe abzugrenzen.
- Statistische Modelle wurden angewandt, um den Schlaganfallbeginn anhand von Änderungen der Relaxationszeiten zu schätzen.
Hauptergebnisse
- Die quantitativen T1- und T2-Relaxationszeiten nahmen linear mit der Zeit nach dem Schlaganfall zu.
- Die halbautomatische Methode identifizierte ischämisches Gewebe effektiv.
- Mithilfe linearer Modellierung konnte der Zeitpunkt des Schlaganfallbeginns mit geringerer Unsicherheit geschätzt werden.
- Erhöhte Relaxationszeiten korrelierten mit dem Volumen des ischämischen Gewebes.
Schlussfolgerungen
- Die Studie liefert ein robustes Protokoll zur Abschätzung des Schlaganfallbeginns in einem Rattenmodell.
- Quantitative MRT-Parameter sind wertvoll für das Verständnis der Schlaganfalldynamik.
- Diese Methode könnte die Genauigkeit der Schlaganfalldiagnose und der Behandlungsplanung verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Abschätzung des Schlaganfallbeginns ist entscheidend für die präklinische Bewertung von neuroprotektiven Therapeutika, da der Zeitpunkt direkten Einfluss auf die mechanistische Interpretation und Go/No-Go-Entscheidungen hat. Dieses MRT-Protokoll liefert quantitative, zeitabhängige Biomarker (qT1, qT2, Voverlap), die es ermöglichen, Schlaganfallmodelle zu entlasten, indem die pathophysiologische Progression mit messbaren bildgebenden Endpunkten verknüpft wird. Der Ansatz unterstützt die Zielvalidierung in Modellen mit permanenter Ischämie, indem er eine reproduzierbare Methode bietet, um den Behandlungszeitpunkt mit der Läsionsentwicklung abzustimmen, wodurch das Vorhersagevertrauen in der frühen Entdeckung verbessert wird.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch Korrelation des Zeitpunkts der Intervention mit der quantitativen, mithilfe der MRT bestimmten Läsionsprogression.
- Operationaler Wert: Bietet ein standardisiertes, halbautomatisiertes Verfahren zur Abgrenzung ischämischen Gewebes und zur Quantifizierung von Unterschieden in den Relaxationszeiten zwischen experimentellen Gruppen.
- Prädiktiver Wert: Unterstützt die biologische Risikominimierung durch lineare Modellierung von aus qT2 abgeleiteten Schätzwerten für den Krankheitsbeginn (±28 Min. Genauigkeit) zur konsistenten zeitlichen Abstimmung in Dosis-Wirkungs-Studien.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative, vokselbasierte T1- und T2-Relaxationsparameter, die als reproduzierbare Biomarker für den ischämischen Gewebestatus dienen.
- Operativer Wert: Die auf ADC basierende halbautomatische Routine ermöglicht eine objektive Abgrenzung der Läsion und verringert so die interindividuelle Variabilität bei der Quantifizierung des Läsionsvolumens.
- Eignung für Assays: Ausgaben wie Voverlap und hemisphärische qT2-Differenzen liefern skalierbare, lineare Messgrößen, die mit hochdurchsatzfähigen Bildgebungsworkflows kompatibel sind.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Kontinuität: Verbindet frühe MRT-Biomarker mit der histopathologischen Bestätigung (TTC-Färbung) und unterstützt so die Validierung von Bildgebungs-Endpunkten anhand der Goldstandard-Infarktvalidierung.
- Mechanistische Risikominimierung: Quantifiziert die sich verändernde Läsionsheterogenität anhand abnormaler Verteilungen von qT1/qT2-Voxeln und liefert damit Informationen zum Gewebestatus, die über eine binäre Einteilung in Infarkt und Nicht-Infarkt hinausgehen.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Ermöglicht die zeitlich gestaffelte Analyse therapeutischer Effekte, indem Interventionen an die geschätzte Symptombeginnzeit gekoppelt werden, wodurch die Variabilität in longitudinalen Studien verringert wird.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in den präklinischen Schlaganfall-Entdeckungsprozess ein und unterstützt die frühe Zielvalidierung durch hämodynamische Modellierung sowie den Übergang zur Leitstrukturidentifizierung mittels zeitabhängiger Wirksamkeitsprüfung in Modellen der permanenten Ischämie.
- Entdeckungsbiologie: Prüft die Zielstrukturenbindung, indem untersucht wird, wie Interventionen die lineare zeitliche Abhängigkeit der Differenzen von qT1 und qT2 zwischen ischämischem und kontralateralem Hemisphäre beeinflussen.
- Screening: Ermöglicht die Standardisierung von Assays durch automatisierte ADC-Schwellenwertbestimmung und Voxel-Klassifizierung (hohe/niedrige/normaler T1/T2) zur konsistenten Charakterisierung von Läsionen.
- Analysen: Stellt quantitative abhängige Variablen (F1, F2, Voverlap, hemisphärische qT2-Differenz) bereit, die lineare Modelle zur Rückberechnung des Symptombeginns und zur Quantifizierung der Unsicherheit speisen.
- Translationale Forschung: Verbindet bildgebende Biomarker mit dem Fortschreiten des Läsionsvolumens und dem Gewebestatus und unterstützt so die kontinuierliche Übertragung auf die histopathologische Validierung.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Die halbautomatisierte Computer-Routine ist für die Anwendung über mehrere Zeitpunkte und Behandlungsgruppen hinweg konzipiert und ermöglicht die Wiederverwendung der Plattform in Studien mit mehreren Armen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Unschärfen, indem zeitlich aufgelöste, quantitative Bildgebungsparameter bereitgestellt werden, die sich verändernde pathophysiologische Zustände widerspiegeln.
- Operationaler Wert: Stellt Reproduzierbarkeit sicher durch standardisierte MRT-Aufnahmen (9,4 T, CPMG T2, Flash T1, Diffusions-Tensor) und objektive Nachbearbeitung mittels des halbautomatischen Verfahrens.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch von Studien, indem eine präzise zeitliche Abstimmung der Applikation mit der Läsionsentwicklung ermöglicht wird und somit falsch-negative Ergebnisse in zeitlich kritischen therapeutischen Fenstern reduziert werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung, indem die Unsicherheit bei der Schätzung des Krankheitsbeginns quantifiziert wird (±25 bis ±47 min) und Teams somit die Evidenz nach zeitlicher Präzision gewichten können.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der quantitativen MRT-Aufnahme, Modellierung von Relaxationszeiten und voxelweisen statistischen Analyse.
- Benötigt eine Hochfeld-MRT-Infrastruktur (9,4-Tesla-Scanner erwähnt; Protokoll in früheren Arbeiten bereits bei 4,7 Tesla validiert) sowie Software für ADC-Kartierung, T1/T2-Anpassung und lineare Regression.
- Setzt eine standardisierte, teamübergreifende Festlegung von Schwellenwerten für die Voxel-Klassifizierung (z. B. hohe T1/T2-Werte definiert als >1/2 des Maximums über dem kontralateralen Median) und von Protokollen zur Läsionsabgrenzung voraus.
- Die Anpassung an Modelle der transienten Ischämie oder an klinische Scanner erfordert eine erneute Validierung aufgrund unterschiedlicher pathophysiologischer Verläufe und technischer Einschränkungen, wie im Quelltext angegeben.
- Praktische Einschränkung: Die Anwendbarkeit des Protokolls ist auf permanente fokale Ischämie beschränkt; die Genauigkeit nimmt bei Reperfusions- oder transienten Modellen gemäß dem Quellmaterial ab.
