Un protocollo di risonanza magnetica per la stima del tempo di corsa inizio nell'Ischemia cerebrale permanente
16 settembre 2017
Un protocollo per la stima di tempo di insorgenza ictus in un modello del ratto del colpo sfruttando la formazione immagine a risonanza magnetica quantitativa (qMRI) parametri è descritto. La procedura sfrutta la diffusione MRI per la delineazione della lesione colpo acuto e quantitativa T1 e T2 (qT1 e qT2) tempi di rilassamento per la temporizzazione del colpo.
La risonanza magnetica fornisce uno strumento sensibile e specifico per rilevare l'ictus ischemico acuto determinando il coefficiente di diffusione apparente del tessuto cerebrale chiamato ADC. In un modello di ictus ischemico nel ratto, le differenze emisferiche nei tempi di rilassamento quantitativi di T1 e T2 all'interno della lesione ischemica aumentavano con il tempo dall'insorgenza dell'ictus. La dipendenza dal tempo di queste differenze è descritta euristicamente da una funzione lineare e quindi fornisce semplici stime del tempo di insorgenza della corsa.
Anche i volumi di tessuto con elevati tempi di rilassamento T1 e T2 all'interno della lesione ischemica aumentano linearmente, fornendo un metodo complementare per la tempistica dell'ictus. Qui, presentiamo una routine computerizzata semi-automatizzata che utilizza l'ADC per delineare il tessuto dell'ictus ischemico acuto nella fase iperacuta dell'ischemia focale permanente. I tempi di rilassamento elevati, identificati anche all'interno del tessuto ischemico dell'ictus, vengono utilizzati per determinare il tempo di insorgenza dell'ictus.
Sono stati utilizzati ratti Wistar maschi di peso compreso tra 300 e 400 grammi e sono stati sottoposti a occlusione permanente dell'arteria cerebrale media per indurre l'ictus ischemico focale. Per tutta la durata dell'operazione e degli esperimenti di risonanza magnetica, il ratto viene anestetizzato con isoflurano attraverso una maschera facciale. Dopo aver praticato un'incisione nel collo, la trachea viene esposta e i muscoli vengono separati dalla trachea.
La ferita viene espansa per liberare il percorso verso l'arteria carotide comune o CCA. Il CCA viene esposto evitando il fascio nervoso accanto ad esso. Un micro gancio viene utilizzato per catturare il CCA ed esporre l'arteria carotide esterna, l'ECA, e l'arteria carotide interna, l'ICA.
La circolazione del CCA è bloccata con filo chirurgico. L'ECA è suturata. Il corpo carotideo è separato dall'ICA e la biforcazione dell'ICA è localizzata per garantire che quando il filo occludente viene inserito, raggiunga e blocchi l'arteria cerebrale media sinistra.
Una sutura allentata viene introdotta intorno all'ICA. Nell'ICA, viene inserita una clip in modo che sia posizionata più in profondità della sutura. L'ECA viene mantenuta vicino al doppio nodo che è legato attorno all'arteria carotide esterna.
La parte in eccesso dell'ECA viene bruciata per prevenire l'emorragia dall'ECA. La filettatura occlusiva viene inserita nell'ECA e l'ICA viene allineata con l'ECA. Il filo viene quindi fatto avanzare fino alla clip.
La sutura allentata viene quindi serrata in modo che il filo possa ancora scivolare all'interno dell'ECA. La clip viene quindi rimossa e il filo occludente viene ulteriormente fatto avanzare fino a quando non sono stati inseriti circa due centimetri. Viene aggiunto un altro nodo in modo che il nodo sciolto diventi un doppio nodo.
Le suture vengono legate e i divaricatori rimossi. La ferita viene quindi chiusa. Subito dopo l'occlusione, il ratto viene fissato in una culla al centro della barra magnetica da 9,4 Tesla utilizzando auricolari e un blocco del morso.
Durante l'imaging, i livelli di isoflurano vengono mantenuti a circa il 2% e la temperatura viene mantenuta vicino ai 37 gradi Celsius utilizzando un termoforo ad acqua posizionato sotto il busto del ratto. Durante l'imaging, vengono monitorate la frequenza respiratoria e la temperatura rettale. I dati della risonanza magnetica vengono acquisiti per un massimo di cinque ore dopo l'occlusione e, a intervalli di un'ora, vengono acquisite 12 fette assiali campionate in modo congruente della traccia del tensore di diffusione, CPMG T2 e Flash T1.
I dettagli dei parametri di sequenza sono elencati nel manoscritto. Alla fine dell'esperimento, i ratti vengono sacrificati e viene eseguita la colorazione con trifenile tetrazolio cloruro o TTC per confermare la presenza di ischemia nel cervello dei ratti. I dettagli per la colorazione TTC sono riportati nel manoscritto.
Dopo aver ottenuto i dati della risonanza magnetica, abbiamo cercato di sviluppare un metodo semi-automatizzato per rilevare il tessuto ischemico e caratterizzare la sua firma rilassometrica. Il rilassamento T2 è stato modellato come un decadimento monoesponenziale. Le mappe T2 sono state adattate prendendo l'algoritmo naturale lungo la dimensione temporale dell'eco e adattando una funzione lineare a ciascun voxel.
Il rilassamento T1 è stato modellato come un mono esponenziale tornato alla magnetizzazione di equilibrio e adattato utilizzando il metodo del gesso binario. Le mappe ADC sono state calcolate assumendo una perdita esponenziale mono di segnale rispetto al valore B. Con tutte le immagini quantitative in atto, il tessuto ischemico potrebbe essere identificato utilizzando le mappe ADC reciproche.
Queste mappe sono state sogliate in modo tale che il tessuto fosse etichettato come ischemico se l'ADC reciproco superava una deviazione assoluta mediana al di sopra dell'ADC reciproco mediano del tessuto non ischemico. Questo processo potrebbe essere eseguito in modo automatico e oggettivo. Con il tessuto ischemico delimitato, è stata calcolata la distribuzione di T1 e T2 in ciascun volume di interesse.
Per ottenere la distribuzione di T1 e T2 nell'emisfero controlaterale, è stato riflesso il volume di interesse per il tessuto ischemico. In questo esempio, si può vedere che le distribuzioni T1 e T2 si spostano a destra con il tempo dopo l'insorgenza. Per descrivere i cambiamenti nelle distribuzioni di T1 e T2 con il tempo, utilizziamo due parametri diversi.
Il parametro f è definito come mostrato. Ciò fornisce una parametrizzazione euristica della frazione di voxel nella lesione ischemica che hanno valori di T1 o T2 insolitamente alti o bassi. È necessario che i voxel in una mappa T1 o T2 possano essere classificati come aventi un valore alto, basso o normale.
Un valore elevato di T1 o T2 nella lesione ischemica è stato definito come superiore a 1/2 massimo sopra la mediana T1 o T2 del volume non ischemico di interesse. F1 è la frazione di voxel ischemici con alti valori di T1, F2 la frazione di voxel con alti valori di T2. In secondo luogo, viene calcolato il volume di sovrapposizione all'interno delle regioni di ADC identificate tessuto ischemico sia con T1 alto che con T2 alto, normalizzato dal volume cerebrale totale.
F1, F2 e il volume di sovrapposizione sono stati calcolati per tutti i ratti in ogni momento della misurazione. Sono stati poi utilizzati separatamente per calcolare il tempo di insorgenza dell'ischemia adattando un modello lineare. In questo modo, è stato possibile calcolare l'incertezza nei tempi di insorgenza.
Queste incertezze sono state parametrizzate dall'errore quadratico medio per l'adattamento lineare. Nella lesione positiva per l'ictus in diffusione, tutti i parametri aumentavano linearmente con il tempo. E in base alle barre di errore quadratiche medie, il nostro protocollo fornisce stime del tempo di insorgenza dell'ictus con una precisione di mezz'ora.
È una tendenza generale che i dati T2 superino quelli di T1 e che la migliore accuratezza per la determinazione del tempo di insorgenza si ottiene dal volume di T1 e T2 elevati sovrapposti. Le regioni con T1 e T2 anormali sono sparse in modo eterogeneo all'interno della lesione ischemica, probabilmente a causa della diversa sensibilità di questi parametri RM quantitativi ai cambiamenti fisiopatologici causati dall'ischemia. Ciò suggerisce che i parametri quantitativi della risonanza magnetica possono anche essere informativi sullo stato dei tessuti. Qui, abbiamo presentato un protocollo di risonanza magnetica che consente di stimare il tempo di insorgenza dell'ictus con notevole precisione e, così facendo, è informativo sullo stato del tessuto cerebrale durante l'ischemia permanente.
Il vantaggio di quantificare i tempi di rilassamento per la stima del tempo di insorgenza dell'ictus è che sono insensibili alle variazioni intrinseche causate da fattori tecnici come le disomogeneità del campo magnetico e la densità dei protoni, inclusa la variazione prevista del campo magnetico all'interno della lesione ischemica. Va notato che l'attuale protocollo si applica solo all'ischemia permanente e che i parametri di acquisizione dei dati MRI riportati nell'articolo sono specifici per lo scanner MRI da 9,4 Tesla utilizzato. I nostri studi precedenti nel documento allegato mostrano che la procedura è accurata anche a 4,7 Tesla.
Nel complesso, riteniamo che il nostro protocollo abbia un'applicazione nella ricerca preclinica sull'ictus, compresi gli studi che indagano le terapie anti-ischemiche.
Panoramica
Questo studio presenta un protocollo per la stima del tempo di insorgenza dell'ictus in un modello ratto mediante risonanza magnetica quantitativa (qMRI). Il metodo utilizza la risonanza magnetica di diffusione per identificare lesioni da ictus acuto e impiega tempi di rilassamento T1 e T2 quantitativi per una temporizzazione accurata dell'insorgenza dell'ictus.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Risonanza magnetica
- Ricerca sull'ictus
Sfondo
- La risonanza magnetica (MRI) è fondamentale per rilevare l'ictus ischemico acuto.
- Lo studio si concentra su un modello ratto per esplorare la relazione tra i tempi di rilassamento qT1 e qT2 e il momento dell'ictus.
- Comprendere il momento di insorgenza dell'ictus è essenziale per migliorare i risultati del trattamento.
- La risonanza magnetica di diffusione aiuta a delimitare efficacemente le lesioni ischemiche.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo affidabile per stimare il tempo di insorgenza dell'ictus mediante parametri di qMRI.
- Valutare le variazioni dei tempi di rilassamento T1 e T2 in relazione al decorso dell'ictus.
- Fornire un approccio semi-automatico per l'identificazione del tessuto ischemico.
Metodi Utilizzati
- Ratti Wistar maschi sono stati sottoposti a occlusione permanente dell'arteria cerebrale media per indurre un ictus.
- È stata eseguita una risonanza magnetica di diffusione per acquisire dati sui tempi di rilassamento T1 e T2.
- Sono state generate mappe ADC per delimitare il tessuto ischemico.
- Sono stati applicati modelli statistici per stimare il tempo di insorgenza dell'ictus in base alle variazioni dei tempi di rilassamento.
Risultati principali
- I tempi di rilassamento T1 e T2 quantitativi sono aumentati linearmente con il tempo trascorso dopo l'ictus.
- Il metodo semi-automatico ha identificato efficacemente il tessuto ischemico.
- Il momento di insorgenza dell'ictus poteva essere stimato con incertezza ridotta mediante modellizzazione lineare.
- L'aumento dei tempi di rilassamento ha mostrato una correlazione con il volume del tessuto ischemico.
Conclusioni
- Lo studio fornisce un protocollo solido per stimare il tempo di insorgenza dell'ictus in un modello ratto.
- I parametri quantitativi della risonanza magnetica sono utili per comprendere la dinamica dell'ictus.
- Questo metodo potrebbe migliorare l'accuratezza della diagnosi dell'ictus e della pianificazione del trattamento.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La stima del tempo di insorgenza dell'ictus è fondamentale per la valutazione preclinica di terapie neuroprotettive, poiché il momento dell'intervento influisce direttamente sull'interpretazione meccanicistica e sulle decisioni di proseguimento o interruzione dello sviluppo. Questo protocollo di risonanza magnetica fornisce biomarcatori quantitativi dipendenti dal tempo (qT1, qT2, Voverlap) che consentono di ridurre i rischi nei modelli di ictus correlando la progressione fisiopatologica a endpoint di imaging misurabili. L'approccio supporta la validazione degli obiettivi terapeutici nei modelli di ischemia permanente offrendo un metodo riproducibile per allineare il momento del trattamento all'evoluzione della lesione, migliorando l'affidabilità predittiva nelle fasi iniziali della scoperta.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche correlando il momento dell'intervento con la progressione delle lesioni quantificata mediante risonanza magnetica.
- Valore operativo: Fornisce un metodo standardizzato e semi-automatico per delimitare il tessuto ischemico e quantificare le differenze nei tempi di rilassamento tra gruppi sperimentali.
- Valore predittivo: Supporta la riduzione del rischio biologico attraverso modellizzazione lineare delle stime del tempo di insorgenza derivato dal qT2 (accuratezza ±28 min) per un allineamento temporale costante negli studi dose-risposta.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera metriche quantitative di rilassamento a livello voxel per T1 e T2 che fungono da biomarcatori riproducibili dello stato del tessuto ischemico.
- Valore operativo: La procedura semi-automatica basata sul ADC consente una delimitazione oggettiva della lesione, riducendo la variabilità inter-operatoria nella quantificazione del volume della lesione.
- Prontezza del saggio: Parametri in uscita come Voverlap e le differenze emisferiche di qT2 forniscono letture lineari e scalabili, compatibili con flussi di lavoro di imaging ad alta produttività.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità traslazionale: Collega biomarcatori precoci di risonanza magnetica alla conferma istopatologica (colorazione TTC), supportando la validazione degli endpoint di imaging rispetto alla conferma standard dell'infarto.
- De-risking meccanicistico: Quantifica l'eterogeneità lesionale in evoluzione mediante la distribuzione anomala dei voxel qT1/qT2, fornendo informazioni sullo stato del tessuto al di là della semplice classificazione binaria tra infarto e non infarto.
- Avanzamento corretto per il rischio: Permette un'analisi stratificata per tempo degli effetti terapeutici ancorando gli interventi al tempo stimato di insorgenza, riducendo la variabilità negli studi longitudinali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso di scoperta preclinica dell'ictus, sostenendo la validazione precoce del bersaglio attraverso la modellizzazione emodinamica e progredendo fino all'identificazione del composto promettente mediante screening dell'efficacia dipendente dal tempo in modelli di ischemia permanente.
- Biologia della scoperta: Verifica l'interazione con il bersaglio misurando come gli interventi alterano la dipendenza temporale lineare delle differenze di qT1 e qT2 tra emisferi ischemici e controlaterali.
- Screening: Permette la standardizzazione dei saggi mediante sogliatura automatica del coefficiente di diffusione apparente (ADC) e classificazione dei voxel (T1/T2 alto/basso/normale) per una caratterizzazione coerente della lesione.
- Analisi: Fornisce variabili quantitative dipendenti (F1, F2, Voverlap, differenza emisferica di qT2) da inserire in modelli lineari per il calcolo retrospettivo del tempo di insorgenza e la quantificazione dell'incertezza.
- Ricerca traslazionale: Collega i biomarcatori di imaging alla progressione del volume della lesione e allo stato del tessuto, favorendo il collegamento con la validazione istopatologica.
- Riutilizzo aziendale: La procedura informatica semiautomatica è progettata per applicazioni longitudinali su diversi punti temporali e gruppi di trattamento, consentendo il riutilizzo della piattaforma in studi multibraccio.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica fornendo endpoint di imaging quantitativi risolti nel tempo che riflettono gli stati fisiopatologici in evoluzione.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità attraverso l'acquisizione standardizzata di risonanza magnetica (9,4T, CPMG T2, Flash T1, tensore di diffusione) e un post-elaborazione oggettiva mediante una procedura semi-automatica.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione dello sviluppo consentendo un allineamento temporale preciso tra somministrazione del farmaco e l'evoluzione della lesione, riducendo i falsi negativi nelle finestre terapeutiche sensibili al tempo.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione basata sul rischio quantificando l'incertezza nelle stime del tempo di insorgenza (±25 a ±47 min), consentendo ai team di pesare le evidenze in base alla precisione temporale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche nell'acquisizione di risonanza magnetica quantitativa, nella modellizzazione dei tempi di rilassamento e nell'analisi statistica voxel per voxel.
- È vincolato all'infrastruttura di risonanza magnetica ad alto campo (scanner da 9,4 T indicato; protocollo validato a 4,7 T in lavori precedenti) e a software per la mappatura del coefficiente di diffusione apparente (ADC), l'adattamento dei tempi T1/T2 e la regressione lineare.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di ricerca per le soglie di classificazione dei voxel (ad esempio, valori elevati di T1/T2 definiti come >1/2 del massimo al di sopra della mediana controlaterale) e per i protocolli di delimitazione delle lesioni.
- L'adattamento a modelli di ischemia transitoria o a scanner clinici richiede una nuova validazione a causa delle diverse traiettorie fisiopatologiche e dei vincoli tecnici indicati nella fonte.
- Limite pratico: l'applicabilità del protocollo è limitata all'ischemia focale permanente; l'accuratezza diminuisce nei modelli con ripristino del flusso o transitori, come riportato nella letteratura di riferimento.
