עבור קו תחילת זמן להערכת ב קבע קליפתית פרוטוקול הדמיית תהודה מגנטית
16 בספטמבר 2017
עבור קו תחילת זמן להערכת במודל של עכברים של שבץ ניצול פרמטרים כמותיים תהודה מגנטית (qMRI) פרוטוקול המתואר. ההליך מנצלת דיפוזיה MRI על תיחום של הנגע שבץ חריפה ו T כמותי1 , T פי2 (qT1 ו- qT2) הרפיה לתזמון של שבץ.
הדמיית תהודה מגנטית מספקת כלי רגיש וספציפי לאיתור שבץ איסכמי חריף על ידי קביעת מקדם הדיפוזיה לכאורה של רקמת המוח המכונה ADC. במודל חולדה של שבץ איסכמי, ההבדלים בחצי הכדור בזמני ההרפיה הכמותיים של T1 ו-T2 בתוך הנגע האיסכמי גדלו עם הזמן מתחילת השבץ. תלות הזמן של הבדלים אלה מתוארת באופן היוריסטי על ידי פונקציה ליניארית ולכן היא מספקת הערכות פשוטות של זמן תחילת השבץ.
נפחי הרקמה עם זמני הרפיה גבוהים של T1 ו-T2 בתוך הנגע האיסכמי גדלים גם הם באופן ליניארי, ומספקים שיטה משלימה לתזמון שבץ. כאן, אנו מציגים שגרת מחשב חצי אוטומטית המשתמשת ב-ADC כדי לתאר רקמת שבץ איסכמית חריפה בשלב ההיפר-אקוטי של איסכמיה מוקדית קבועה. זמני הרפיה מוגברים שזוהו גם ברקמת השבץ האיסכמית משמשים לקביעת זמן הופעת השבץ.
נעשה שימוש בחולדות וויסטאר זכרות במשקל 300 עד 400 גרם וקיבלו חסימה קבועה של עורק המוח האמצעי כדי לגרום לשבץ איסכמי מוקדי. במשך הניתוח וניסויי ה- MRI, החולדה מורדמת באיזופלורן דרך מסכת פנים. לאחר ביצוע חתך בצוואר, קנה הנשימה נחשף והשרירים מופרדים מקנה הנשימה.
הפצע מורחב כדי לפנות את הדרך לעורק הצוואר המשותף או CCA. ה-CCA נחשף תוך הימנעות מצרור העצבים שלידו. מיקרו וו משמש כדי לתפוס את ה-CCA ולחשוף את עורק הצוואר החיצוני, ה-ECA, ואת עורק הצוואר הפנימי, ה-ICA.
זרימת ה- CCA חסומה בחוט כירורגי. ה-ECA נתפר. גוף הצוואר מופרד מה-ICA וההתפצלות של ה-ICA ממוקמת כדי להבטיח שכאשר החוט החוסם מוכנס, הוא מגיע וחוסם את עורק המוח האמצעי השמאלי.
תפר רופף מוחדר סביב ה-ICA. ב-ICA, מוכנס קליפס כך שהוא ממוקם עמוק יותר מהתפר. ה-ECA נשמר קרוב לקשר הכפול שנקשר סביב עורק הצוואר החיצוני.
החלק העודף של ה-ECA נשרף כדי למנוע דימום מה-ECA. חוט ההסתמה מוכנס לתוך ה-ECA וה-ICA מיושר עם ה-ECA. לאחר מכן השרשור מתקדם עד לקליפ.
לאחר מכן מהדקיםאת התפר הרופף כך שהחוט עדיין יכול להחליק בתוך ה-ECA. לאחר מכן מסירים את הקליפ ומתקדמים עוד יותר בחוט החוסם עד להכנסת כשני סנטימטרים. קשר נוסף מתווסף כך שהקשר הרופף הופך לקשר כפול.
התפרים נקשרים ומחזירים מוסרים. לאחר מכן סוגרים את הפצע. מיד לאחר החסימה, החולדה מאובטחת בעריסה במרכז מוט המגנט 9.4 טסלה באמצעות אוזניות ובלוק נשיכה.
במהלך ההדמיה, רמות האיזופלורן נשמרות בסביבות 2% והטמפרטורה נשמרת קרוב ל-37 מעלות צלזיוס באמצעות כרית חימום מים המונחת מתחת לפלג הגוף העליון של החולדה. במהלך ההדמיה עוקבים אחר קצב הנשימה וטמפרטורת פי הטבעת. נתוני MRI נרכשים עד חמש שעות לאחר החסימה ובמרווחי זמן של שעה, נרכשות 12 פרוסות ציריות שנדגמו בהתאמה של עקבות טנזור הדיפוזיה, CPMG T2 ו-Flash T1.
פרטים על פרמטרי הרצף מפורטים בכתב היד. בסוף הניסוי מקריבים חולדות ומבוצעים צביעת טריפניל טטרזוליום כלוריד או TTC כדי לאשר את נוכחות האיסכמיה במוח של חולדות. פרטים על צביעת TTC ניתנים בכתב היד.
לאחר שהשגנו נתוני MRI, ביקשנו לפתח שיטה אוטומטית למחצה לאיתור הרקמה האיסכמית ולאפיון החתימה הרלקסומטרית שלה. הרפיית T2 תוכננה כדעיכה מעריכית מונו-מעריכית. מפות T2 הותאמו על ידי לקיחת האלגוריתם הטבעי לאורך ממד זמן ההד והתאמת פונקציה ליניארית בכל ווקסל.
הרפיית T1 תוכננה כמגנטיזציה חד-מעריכית שהוחזרה לשיווי משקל והותקנה בשיטת הגיר הבינארי. מפות ADC חושבו בהנחה של אובדן מעריכי מונו של אות ביחס לערך B. עם כל התמונות הכמותיות במקום, ניתן לזהות רקמה איסכמית באמצעות מפות ה-ADC ההדדיות.
מפות אלה היו סף כך שהרקמה תויגה כאיסכמית אם ה-ADC ההדדי חרג מסטייה מוחלטת חציונית אחת מעל ה-ADC ההדדי החציוני של רקמה לא איסכמית. תהליך זה יכול להתבצע באופן אוטומטי ואובייקטיבי. עם תיחום רקמה איסכמית, חושבה ההתפלגות של T1 ו-T2 בכל נפח מעניין.
כדי להשיג את התפלגות T1 ו- T2 בהמיספרה הנגדית, השתקף נפח העניין ברקמה האיסכמית. בדוגמה זו, ניתן לראות את ההתפלגות T1 ו-T2 משתנה עם הזמן לאחר ההופעה. כדי לתאר את השינויים בהתפלגות של T1 ו-T2 עם הזמן, אנו משתמשים בשני פרמטרים שונים.
הפרמטר f מוגדר כפי שמוצג. זה מספק פרמטריזציה היוריסטית של חלק הווקסלים בנגע האיסכמי שיש להם ערכי T1 או T2 גבוהים או נמוכים בצורה יוצאת דופן. נדרש כי ווקסל במפת T1 או T2 עשוי להיות מסווג כבעל ערך גבוה, נמוך או נורמלי.
ערך T1 או T2 גבוה בנגע האיסכמי הוגדר כערך העולה על 1/2 מקסימום מעל החציון T1 או T2 של הנפח הלא-איסכמי המעניין. F1 הוא החלק של ווקסלים איסכמיים עם ערכי T1 גבוהים, F2 הוא חלק הווקסלים עם ערכי T2 גבוהים. שנית, מחושב נפח החפיפה בתוך אזורי ה-ADC שזוהו רקמה איסכמית עם T1 גבוה ו-T2 גבוה, מנורמל על ידי נפח המוח הכולל.
ה-F1, F2 ונפח החפיפה חושבו עבור כל החולדות בכל זמני המדידה. לאחר מכן הם שימשו בנפרד כדי לחשב לאחור את זמן הופעת האיסכמיה על ידי התאמת מודל ליניארי. על ידי כך, ניתן לחשב את אי הוודאות בזמני ההתחלה.
אי-הוודאות הללו נקבעו בפרמטרים על ידי שגיאת השורש-ממוצע-ריבוע עבור ההתאמה הליניארית. בנגע שבץ חיובי דיפוזיה, כל הפרמטרים גדלו באופן ליניארי עם הזמן. ולפי פסי השגיאה של שורש-ממוצע-ריבוע, הפרוטוקול שלנו מספק הערכות זמן התחלת שבץ בדיוק של חצי שעה.
זוהי מגמה כללית שנתוני T2 עולים על T1 והדיוק הטוב ביותר לקביעת זמן ההתחלה מתקבל מנפח ה-T1 וה-T2 המוגבהים החופפים. אזורים עם T1 ו-T2 לא תקינים מפוזרים באופן הטרוגני בתוך הנגע האיסכמי, ככל הנראה עקב רגישויות שונות של פרמטרי MRI כמותיים אלה לשינויים פתופיזיולוגיים הנגרמים על ידי איסכמיה. זה מצביע על כך שפרמטרים כמותיים של MRI עשויים להיות אינפורמטיביים גם לגבי מצב הרקמה. כאן, הצגנו פרוטוקול MRI המאפשר להעריך את זמן הופעת השבץ בדיוק רב ועל ידי כך הוא אינפורמטיבי על מצב רקמת המוח במהלך איסכמיה קבועה.
היתרון בכימות זמני הרפיה להערכת זמן הופעת השבץ הוא שהם אינם רגישים לשינויים אינהרנטיים הנגרמות על ידי גורמים טכניים כגון חוסר הומוגניות של שדה מגנטי וצפיפות פרוטונים, כולל השונות הצפויה בשדה המגנטי בתוך הנגע האיסכמי. יש להבין כי הפרוטוקול הנוכחי חל רק על איסכמיה קבועה ופרמטרי רכישת נתוני ה-MRI המופיעים במאמר הם ספציפיים לסורק ה-MRI 9.4 טסלה בו נעשה שימוש. המחקרים הקודמים שלנו במאמר המצורף מראים שההליך מדויק גם ב-4.7 טסלה.
בסך הכל, אנו מאמינים כי לפרוטוקול שלנו יש יישום במחקר שבץ פרה-קליני, כולל מחקרים החוקרים טיפולים אנטי-איסכמיים.
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול להערכת זמן התחלת השבץ במודל של חולדה באמצעות דימות תהודה מגנטית כמותי (qMRI). השיטה משתמשת ב-MRI של דיפוזיה כדי לזהות נגעים של שבץ חריף, ומעסיקה זמני רלקסציה כמותיים של T1 ו-T2 לצורך תזמון מדויק של התחלת השבץ.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- דימות תהודה מגנטית
- מחקר שבץ מוחי
רקע
- דימות בתהודה מגנטית (MRI) הוא חיוני לגילוי שבץ איסכמי חריף.
- המחקר מתמקד במודל חולדה כדי לבחון את הקשר בין זמני הרפיה של qT1 ו-qT2 לבין עיתוי השבץ.
- הבנת זמן תחילת השבץ חיונית לשיפור תוצאות הטיפול.
- MRI דיפוזיה מסייע בתיחום יעיל של נגעים איסכמיים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה מהימנה להערכת זמן תחילת השבץ באמצעות פרמטרים של qMRI.
- הערכת השינויים בזמני רפלקסציה T1 ו-T2 ביחס להתקדמות השבץ.
- אספקת גישה חצי-אוטומטית לזיהוי רקמה איסכמית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- חולדות Wistar זכרים עברו חסימה קבועה של העורק המוחי האמצעי (middle cerebral artery occlusion) כדי להשריות שבץ מוחי.
- בוצע MRI דיפוזיה כדי לרכוש נתונים על זמני רגיעה T1 ו-T2.
- נוצרו מפות ADC כדי לאפיין את הרקמה האיסכמית.
- יושמו מודלים סטטיסטיים כדי להעריך את זמן תחילת השבץ בהתבסס על שינויים בזמני הרגיעה.
תוצאות עיקריות
- זמני רגיעה כמותיים של T1 ו-T2 עלו באופן ליניארי עם הזמן לאחר השבץ.
- השיטה החצי-אוטומטית זיהתה ביעילות רקמה איסכמית.
- ניתן היה להעריך את זמן תחילת השבץ עם אי-ודאות מופחתת באמצעות מודל ליניארי.
- זמני רגיעה מוגברים היו במתאם עם נפח הרקמה האיסכמית.
מסקנות
- המחקר מספק פרוטוקול חסון להערכת זמן תחילת השבץ במודל של חולדה.
- פרמטרי MRI כמותיים בעלי ערך להבנת דינמיקת השבץ.
- שיטה זו עשויה לשפר את הדיוק של אבחון השבץ ותכנון הטיפול.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכת זמן תחילת השבץ היא קריטית להערכה פרה-קלינית של טיפולים נוירופרוטקטיביים, שכן התזמון משפיע ישירות על הפרשנות המכניסטית ועל החלטות המשך (go/no-go). פרוטוקול MRI זה מספק סמנים ביולוגיים כמותיים תלויי-זמן (qT1, qT2, Voverlap) המאפשרים הפחתת סיכונים במודלים של שבץ על ידי קישור התקדמות פתופיזיולוגית לנקודות קצה מדידות בדימות. גישה זו תומכת בתיקוף מטרות במודלים של איסכמיה קבועה באמצעות מתן שיטה הניתנת לשחזור לסנכרון תזמון הטיפול עם התפתחות הנגע, ובכך משפרת את הביטחון החיזויי בשלבי הגילוי המוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי הקשר בין עיתוי ההתערבות לבין התקדמות נגעים כפי שנגזרה מ-MRI כמותי.
- ערך תפעולי: מספק שיטה סטנדרטית וחצי-אוטומטית לאפיון רקמה איסכמית ולכימות הבדלי זמני רילקסציה בין קבוצות ניסוי.
- ערך ניבוי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות מידול ליניארי של הערכות זמן ההתחלה שנגזרו מ-qT2 (דיוק של ±28 min) לצורך סנכרון זמני עקבי במחקרי תגובה למינון.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מדדי רגיעה כמותיים של T1 ו-T2 ברמת הווקסל, המשמשים כסמנים ביולוגיים הניתנים לשחזור של מצב רקמה איסכמית.
- ערך תפעולי: השגרה החצי-אוטומטית המבוססת על ADC מאפשרת תיחום אובייקטיבי של הנגע, ובכך מפחיתה את השונות בין המפעילים בכימות נפח הנגע.
- מוכנות הבדיקה: פלטים כגון Voverlap והפרשי qT2 המיספריים מספקים קריאות ליניאריות וניתנות להרחבה, התואמות לזרימות עבודה של דימות בעוצמה גבוהה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מקשרת בין סמנים ביולוגיים מוקדמים ב-MRI לאישור היסטופתולוגי (צביעת TTC), ובכך תומכת בתיקוף של נקודות קצב בדימות אל מול תיקוף השבץ המוחי (infarct) המהווה את תקן הזהב.
- הפחתת סיכונים מנגנונית: מכמתת את ההטרוגניות המתפתחת של הנגע באמצעות התפלגות ווקסלים חריגה של qT1/qT2, ומספקת מידע על מצב הרקמה מעבר לסיווג בינארי של שבץ מוחי/לא שבץ מוחי.
- קידום מותאם סיכונים: מאפשרת ניתוח של השפעות טיפוליות מלווה בחלוקה לזמנים על ידי עיגון ההתערבויות לזמן ההתחלה המשוער, ובכך מפחיתה את השונות במחקרי אורך.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי הפרה-קליני של שבץ מוחי, ומספקת תמיכה באישור מוקדם של מטרות באמצעות מידול המודינמי, וממשיכה לזיהוי מובילים (lead identification) באמצעות סריקת יעילות רגישה לזמן במודלים של איסכמיה קבועה.
- ביולוגיה של הגילוי: בוחנת מעורבות של מטרה על ידי מדידה של האופן שבו התערבויות משנות את התלות הליניארית בזמן של הפרשים ב-qT1 ו-qT2 בין המיספרה האיסכמית למ setIsפרה הנגדית.
- סריקה: מאפשרת סטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות סף ADC אוטומטי וסיווג ווקסלים (T1/T2 גבוה/נמוך/נורמלי) לאפיון עקבי של הנגע.
- אנליטיקה: מספקת משתנים תלויים כמותיים (F1, F2, Voverlap, הפרש qT2 בין המיספרות) המזינים מודלים ליניאריים לחישוב לאחור של זמן ההתחלה וכמתית אי-ודאות.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין סממנים ביולוגיים של דימות לבין התקדמות נפח הנגע ומצב הרקמה, ובכך תומכת ברציפות לאישור היסטופתולוגי.
- שימוש חוזר ארגוני: השגרה המחשבית החצי-אוטומטית תוכננה ליישום אורך (longitudinal) לאורך נקודות זמן וקבוצות טיפול, מה שמאפשר שימוש חוזר בפלטפורמה במחקרים בעלי מספר זרועות.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי אספקת נקודות קצה של דימות כמותי בעיתוי זמן, המשקפות מצבים פתופיזיולוגיים מתפתחים.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות באמצעות רכישת MRI סטנדרטית (9.4T, CPMG T2, Flash T1, diffusion tensor) ועיבוד נתונים אובייקטיבי לאחר הרכישה באמצעות שגרה חצי-אוטומטית.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) על ידי מתן אפשרות לסנכרון זמני מדויק של המינון עם התפתחות הנגע, ובכך מפחית תוצאות שגויות שליליות בחלונות טיפוליים רגישים לזמן.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכון על ידי כימות אי-הוודאות בהערכות זמן ההופעה (±25 עד ±47 min), ומאפשר לצוותים לשקלל את הראיות לפי דיוק זמני.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות ברכישת MRI כמותי, מידול זמני רגיעה (relaxation time) וניתוח סטטיסטי ברמת הווקסל (voxel-wise).
- תלוי בתשתית MRI בשדה גבוה (צוין סורק 9.4T; הפרוטוקול תוקף ב-4.7T בעבודות קודמות) ובתוכנה למיפוי ADC, התאמה (fitting) של T1/T2 ורגרסיה ליניארית.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של ספי סיווג ווקסלים (למשל, T1/T2 גבוה מוגדר כ-1/2 מהמקסימום מעל החגיון של הצד הנגדי) ופרוטוקולים לתיחום נגעים.
- התאמה למודלים של איסכמיה חולפת או לסורקים קליניים דורשת תיקוף מחדש עקב מסלולים פתופיזיולוגיים שונים ומגבלות טכניות שצוינו במקור.
- מגבלה מעשית: ישימות הפרוטוקול מוגבלת לאיסכמיה מוקדית קבועה; הדיוק פוחת במודלים של רפרופוזיה או במודלים חולפים, על פי חומרי המקור.
