본 논문은 설치류의 동적 대비 증강 MRI(DCE-MRI) 연구에 최적화된 뇌실 내 캐뉼라 삽입 및 추적자 주입 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜을 통해 영상 획득 중에 추적자를 지속적으로 전달할 수 있어, 단일한 무중단 영상 촬영 세션 내에서 추적자의 운송 및 뇌 내 제거 과정에 대한 전뇌 매핑이 가능합니다.
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본 논문은 설치류의 동적 대비 증강 MRI(DCE-MRI) 연구에 최적화된 뇌실 내 캐뉼라 삽입 및 추적자 주입 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜을 통해 영상 획득 중에 추적자를 지속적으로 전달할 수 있어, 단일한 무중단 영상 촬영 세션 내에서 추적자의 운송 및 뇌 내 제거 과정에 대한 전뇌 매핑이 가능합니다.
뇌실 내(ICV) 캐뉼라 삽입술을 통해 뇌척수액(CSF) 순환 경로의 기점인 외측 뇌실로 외인성 추적자 또는 치료제를 직접 전달할 수 있습니다. 주입된 분자들은 뇌척수액의 벌크 흐름(bulk flow)에 의해 뇌실 구획을 거쳐 지주막하 공간으로 운반되며, 이후 뇌 실질로 진입합니다. ~을 통해 혈관주위 공간(perivascular space). 그러나 기존의 뇌실 내(ICV) 캐뉼라 삽입법은 일반적으로 강자성 캐뉼라를 사용하는데, 이는 MRI 연구와 호환되지 않아 스캐너 외부에서 주입을 수행하고 영상 촬영 전 캐뉼라를 제거해야 한다. 동물 이동 및 영상 촬영 설정에 소요되는 시간으로 인해 추적자 운송의 초기 단계이자 아마도 가장 결정적인 단계의 데이터를 놓치는 경우가 많다. 본 연구에서는 동적 MRI 획득 중에 스캐너 내부에서 추적자를 지속적으로 전달할 수 있는, 설치류를 위한 MRI 호환 ICV 캐뉼라 삽입 및 주입 프로토콜을 기술한다. 주입 라인은 전체가 비자성 물질로 제작되어 단일 세션 내에서 중단 없는 영상 획득이 가능하다. 이러한 접근 방식은 뇌척수액(CSF) 역학, 글림파틱 운송(glymphatic transport), 용질 제거 및 척수강 내 약물 전달의 동적 조영 증강 MRI 연구에 매우 적합하다.
뇌는 신체에서 대사적으로 가장 활발하고 역동적인 기관 중 하나로, 정상적인 신경 기능을 유지하기 위해 효율적으로 제거되어야 하는 노폐물을 지속적으로 생성합니다1. 대사 노폐물의 축적은 신경 퇴행 및 뇌 노화의 특징입니다2. 글림파틱 체계(glymphatic system)는 이러한 제거 과정에서 중심적인 역할을 하며, 대량의 뇌척수액(CSF) 흐름과 뇌척수액과 간질액(ISF)의 교환을 통해 대사 부산물 및 독성 노폐물의 제거를 촉진하는데3,4,5, 이 과정은 성상교세포 종말발(astrocytic endfeet)에 위치한 aquaporin-4 (AQP4) 수분 통로에 의해 촉진됩니다6. 다양한 CSF 추적자의 이동을 연구함으로써 CSF 역학에 대한 상당한 이해를 얻을 수 있었습니다. 가돌리늄 기반 조영제(GBCAs)를 이용한 동적 대비 증강 MRI (DCE-MRI)는 뇌 전체의 추적자 이동을 평가하는 데 특히 적합합니다7,8. 이 접근법의 임상적 관련성은 인간을 대상으로 한 중개 연구를 통해 입증되었습니다. 인간의 뇌에서 CSF 역학을 평가하기 위해 GBCAs를 척수강 내로 투여한 후 연속적인 MRI 촬영이 수행되었습니다9. 후속 연구에서는 뇌 전체의 추적자 이동과 이후 하룻밤 동안의 제거 과정이 입증되었습니다10. 최근 이 접근법을 적용하여 두개강 내 압력-부피 예비 용량이 감소한 피험자와 특발성 정상압 수두증 환자에서 동맥 주위 추적자 이동이 손상되었음을 밝혔습니다11. 이러한 연구들은 CSF 추적자 이동의 DCE-MRI가 임상적으로 적용 가능한 접근법임을 확립하였으며, CSF 역학 및 노폐물 제거 조절의 기전적 조사를 위한 엄격하고 재현 가능한 전임상 방법의 개발 동기를 제공합니다.
추적자 전달을 위한 글림파틱 연구에서는 대조정맥강(intra-cisterna magna, ICM) 캐뉼라 삽입법이 일반적으로 사용됩니다.12하지만 전달된 GBCAs의 약 20%만이 ~을 통해 이 경로는 뇌 실질로 운반되며, 대부분은 척수나 림프관으로 직접 배출됩니다.8이러한 접근 방식은 소뇌나 뇌간을 손상시킬 위험이 있으며, 종단 연구를 위해 캐뉼라를 고정하는 것은 여전히 기술적으로 까다롭습니다. 이에 따라 뇌실 내(ICV) 캐뉼라 삽입법이 더 견고한 대안으로 부상했습니다.13,14,15최근의 연구를 통해 형광 추적물질을 전달하는 데 있어 본 방법의 재현성과 주요 장점이 입증되었으며, 여기에는 동물의 자유로운 이동을 가능하게 하여 종단적 연구에서 반복적인 추적물질 주입을 지원하는 안정적인 캐뉼라 고정 방식이 포함됩니다.13.
이러한 장점에도 불구하고, 기존의 ICV 캐뉼라 삽입 프로토콜은 MRI 연구와 직접적으로 호환되지 않습니다16. ICV 캐뉼라 삽입은 뇌 실질의 관통이 필요하기 때문에 일반적으로 강자성 캐뉼라를 사용하며, 이는 MRI 영상에서 심각한 자화율 아티팩트를 유발합니다. 그 결과, 추적자 주입은 스캐너 외부에서 수행되어야 하며, 동물을 영상 촬영을 위해 이동시키기 전에 캐뉼라를 제거해야 합니다. 전형적인 작업 흐름은 기저 스캔을 획득하고, 캐뉼라 삽입 및 추적자 주입을 위해 동물을 꺼낸 후, 후속 동적 스캔을 위해 동물을 다시 배치하는 과정을 포함합니다. 이렇게 중단된 작업 흐름은 기저치 기준의 연속적인 획득을 방해하며, 복셀별 동역학 분석을 혼동시킬 수 있는 재배치 정렬 오류를 야기합니다. 더욱 중요한 점은, 초기 섭취 단계가 일반적으로 추적자 동역학에서 가장 역동적이면서도 일시적인 부분이기 때문에, 이 시간 window 동안 동물을 이동시키고 스캐너 설정을 수행하면 가장 유용한 데이터가 손실된다는 것입니다.
본 연구에서는 MRI 호환 ICV 주입 라인과 스캐너 내 조영제 전달 기능을 통합하여 설치류의 연속적인 동적 MRI 획득이 가능하게 함으로써 기존의 한계점을 해결한 프로토콜을 제시합니다. 이러한 접근 방식은 단일한 중단 없는 영상 촬영 세션 내에서 뇌척수액(CSF) 추적자의 운송에 대한 정량적인 전뇌 매핑을 가능하게 합니다. 이 프로토콜은 뇌 전체의 CSF 역동성, 글림파틱 운송 및 용질 제거 동역학을 연구하는 데 적합합니다. 본 프로토콜은 성체 랫(rat)을 대상으로 설명되었으나, 캐뉴레이션 좌표와 주입 파라미터를 적절히 조정하면 마우스에도 적용할 수 있습니다15.
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아래에 기술된 프로토콜은 실험동물 보호 및 사용 가이드라인과 실험동물의 인도적 보호 및 사용에 관한 공중보건서비스 정책에 따라 Case Western Reserve University의 기관동물관리 및 사용위원회(IACUC, A-3145-01-2023-0015)의 승인을 받았습니다. 사용된 시약 및 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 주입 라인 준비
2. 캐뉼라 삽입 절차
3. MRI 설정 및 동적 획득
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수술 워크스테이션은 측뇌실을 표적으로 드릴을 정밀하게 배치할 수 있도록 구성됩니다 (bregma 기준 후방 0.7 mm 및 외측 1.4 mm; 그림 1A,D). 주입 라인은 30-mm 구리 캐뉼라, 2-m 길이의 PE 튜브 세그먼트, 그리고 Hamilton 주사기에 연결된 30 G 바늘로 구성됩니다 (그림 1B). 튜브 길이를 연장함으로써 주사기 펌프를 스캐너의 주변 자기장 외부로 배치할 수 있습니다. 천공 드릴링 후, 미리 준비된 주입 라인을 정위 고정 장치 암에 장착하고, 캐뉼라를 경막 표면 아래 3.5 mm 깊이까지 측뇌실 내부로 진입시킵니다 (그림 1C). 고정이 완료되면, MRI 코일과의 접촉을 방지하기 위해 캐뉼라를 두개골 표면과 평행하게 구부립니다 (그림 1E).
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본 프로토콜은 ICV 캐뉼라 삽입을 스캐너 내 주입 및 동적 MRI 획득과 통합하여, 단 한 번의 영상 촬영 세션 내에서 뇌 전체의 CSF 추적자 운송을 정량적으로 평가할 수 있게 합니다. ICV 주입의 가치와 한계는 ICM 주입과 비교했을 때 가장 잘 평가됩니다. ICM 주입은 뇌 실질을 관통하는 캐뉼라 삽입을 피하므로 침습성이 더 낮습니다. 그러나 대조조(cisterna magna)가 CSF 순환 경로의 중간에 위치하기 때문에, 특히 높은 주입 속도에서의 ICM 주입은 CSF 순환을 유도하는 압력 구배의 일시적인 역전을 일으킬 수 있습니다17. 더 중요한 점은, ICM으로 투여된 추적자는 하류의 지주막하 공간과 이후 혈관주위 공간으로 빠르게 분포된다는 것입니다. 성상교세포 말단발의 AQP4 채널이 CSF-ISF 교환을 촉진하지만, 이 채널들은 GBCAs의 큰 분자 크기로 인해 투과성이 없습니다. 결과적으로 ICM 투여 추적자는 ICV 주입에 비해 뇌 실질에서의 조영 증강이 현저히 감...
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저자들은 공개할 이해관계 충돌이 없습니다.
본 연구는 보조금 번호 R01NS124206 및 RF1AG094791에 의거하여 미국 국립보건원(NIH)의 지원을 받았습니다. 본 콘텐츠의 내용은 전적으로 저자들의 책임이며, 반드시 국립보건원의 공식 견해를 나타내는 것은 아닙니다. 그림 4는 BioRender.com을 통해 제작되었습니다.
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| 해부학적 협폭 포셉 | Fine Science Tools | 11003-12 | |
| 인공 뇌척수액 | TOCRIS | 3525 | |
| Attane Isofluran 1000 mg/g | ScanVet | 55226 | |
| 구리 모세관 튜브 0.32 mm 외경 × 0.16 mm 내경(ID) | Nippon Tokushukan Mfg. Co., Ltd. | C1220-11-109 | |
| 구리 클립 | IEUYO | FEBA 1801 | |
| 면봉 | 퓨리턴 | 868-WCS | |
| Dotarem (gadoterate meglumine) 주사제, 0.5 mmol/mL | Guerbet | NDC 67684-2001-1 | |
| 드릴 | 앞단추 (또는 서두/도입부) | 모델 SR | |
| 드릴 비트 | Fine Science Tools | 19007-05 | |
| 드릴 홀더 | Stoelting | 51630 | |
| Dumont 의료용 포셉 | Fine Science Tools | 11252-00, 11253-20 | |
| 안연고 | 럭비 | NDC 0536 | |
| E-Z Anesthesia EZ-7000 Classic System | E-Z Systems | EZ-7000 | |
| 그레페 포셉 (Graefe Forceps) | Fine Science Tools | 11052-10,11152-10 | |
| 가열 패드 | Braintree Scientific | 5381 | |
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