Name: Met behulp van 3D-printtechnologie om samenvoegen MRI met de histologie: A Protocol for Brain Snijden (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 53 s
Description: Leer MRI-histologie-alignment met 3D-geprinte hersensnijders voor nauwkeurige radiologische-pathologische correlatie. Dit protocol verbetert de consistentie van hersensecties voor neuropathologisch onderzoek.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Het Intramurale Onderzoeksprogramma van NINDS ondersteunde dit onderzoek. We danken de NIH Functional Magnetic Resonance Imaging Facility. We danken Jennifer Lefeuvre en Cecil Chern-Chyi Yen voor hun hulp bij het verkrijgen van postmortem MRI. We danken John Ostuni en de Section on Instrumentation Core Facility voor hun hulp met 3D-printen. Figuur 1 van dit werk gebruikte snapshots van MeshLab, een tool ontwikkeld met de ondersteuning van het 3D-CoForm project.

<ol><li>Evans, A. C., Frank, J. A., Antel, J., Miller, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+MRI+in+clinical+trials+of+multiple+sclerosis%3A+comparison+of+image+processing+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Neurol%22%5BJournal%5D)">The role of MRI in clinical trials of multiple sclerosis: comparison of image processing techniques.</a> Ann Neurol. 41 (1), 125-132 (1997).</li>
<li>'t Hart, B. A., van Kooyk, Y., Geurts, J. J. G., Gran, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+primate+autoimmune+encephalomyelitis+model%3B+a+bridge+between+mouse+and+man%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Clin+Transl+Neurol%22%5BJournal%5D)">The primate autoimmune encephalomyelitis model; a bridge between mouse and man.</a> Ann Clin Transl Neurol. 2 (5), 581-593 (2015).</li>
<li>Ontaneda, D., Hyland, M., Cohen, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple+sclerosis%3A+new+insights+in+pathogenesis+and+novel+therapeutics%5BTitle%5D)+AND+%22Annu+Rev+Med%22%5BJournal%5D)">Multiple sclerosis: new insights in pathogenesis and novel therapeutics.</a> Annu Rev Med. 63, 389-404 (2012).</li>
<li>Guy, J. R., Sati, P., Leibovitch, E., Jacobson, S., Silva, A. C., Reich, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Custom+fit+3D-printed+brain+holders+for+comparison+of+histology+with+MRI+in+marmosets%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Custom fit 3D-printed brain holders for comparison of histology with MRI in marmosets.</a> J Neurosci Methods. 257, 55-63 (2016).</li>
<li>Breen, M. S., Lazebnik, R. S., Wilson, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+registration+of+magnetic+resonance+image+data+to+histological+sections+with+model-based+evaluation%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional registration of magnetic resonance image data to histological sections with model-based evaluation.</a> Ann Biomed Eng. 33 (8), 1100-1112 (2005).</li>
<li>Dauguet, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+reconstruction+of+stained+histological+slices+and+3D+non-linear+registration+with+in-vivo+MRI+for+whole+baboon+brain%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional reconstruction of stained histological slices and 3D non-linear registration with in-vivo MRI for whole baboon brain.</a> J Neurosci Methods. 164 (1), 191-204 (2007).</li>
<li>McGrath, D. M., Vlad, R. M., Foltz, W. D., Brock, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Technical+note%3A+fiducial+markers+for+correlation+of+whole-specimen+histopathology+with+MR+imaging+at+7+tesla%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Phys%22%5BJournal%5D)">Technical note: fiducial markers for correlation of whole-specimen histopathology with MR imaging at 7 tesla.</a> Med Phys. 37, 2321-2328 (2010).</li>
<li>Schormann, T., Zilles, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+linear+and+nonlinear+transformations%3A+An+integration+of+light+microscopical+and+MRI+data%5BTitle%5D)+AND+%22Hum+Brain+Mapp%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional linear and nonlinear transformations: An integration of light microscopical and MRI data.</a> Hum Brain Mapp. 6, 339-347 (1998).</li>
<li>Jiang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+MR%2C+fluorescence+and+histology+imaging+strategy+in+a+human+breast+tumor+xenograft+model%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Combined MR, fluorescence and histology imaging strategy in a human breast tumor xenograft model.</a> NMR Biomed. 26 (3), 285-298 (2013).</li>
<li>Absinta, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Postmortem+magnetic+resonance+imaging+to+guide+the+pathologic+cut%3A+individualized%2C+3-dimensionally+printed+cutting+boxes+for+fixed+brains%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neuropathol+Exp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Postmortem magnetic resonance imaging to guide the pathologic cut: individualized, 3-dimensionally printed cutting boxes for fixed brains.</a> J Neuropathol Exp Neurol. 73 (8), 780-788 (2014).</li>
<li>Gaitán, M. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perivenular+brain+lesions+in+a+primate+multiple+sclerosis+model+at+7-tesla+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Mult+Scler%22%5BJournal%5D)">Perivenular brain lesions in a primate multiple sclerosis model at 7-tesla magnetic resonance imaging.</a> Mult Scler. 20 (1), 64-71 (2014).</li>
</ol>

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

De hier geschetste protocol maakt een nauwkeurige vergelijking van MRI en histologie secties. Het protocol wordt in een standaard formaat dat kan worden toegepast op hersenen van mensen en kleine dieren, zoals knaagdieren of zijdeaapjes. Verschillen die specifiek zijn voor grote (menselijke) en kleine (niet-menselijke primaten en knaagdieren) hersenen zijn gemarkeerd en in de bijgaande video en cijfers tonen we de toepassing in de marmoset. De invalshoek is eenvoudig, de werkwijze vereist vele stappen en het gebruik van verschillende soorten software. Bovendien verschillende problemen mogelijk waardoor de nauwkeurigheid van deze methode is belangrijk te vermelden. De beeldkwaliteit van de in vivo MRI is een belangrijke factor. Om het verschil in beeldresolutie tussen MRI en histologie gedigitaliseerde beelden te minimaliseren, moet de kleinst mogelijke MRI voxel grootte worden gebruikt. Deze definitie geldt ook voor de beeldkwaliteit van de postmortale MRI. Door de grotereacquisitie tijd in postmortem MRI maakt het mogelijk veel hogere beeldresolutie, de voorbereiding kan het artefacten te introduceren zoals focale signaal dropouts in verband met luchtbellen. Deze artefacten kunnen gebieden van het weefsel verhullen en beïnvloeden de contour. Bovendien, de afmetingen van het weefsel op de postmortale MRI waarschijnlijk worden beïnvloed door het fixatieproces en duur. Terwijl de in vivo ex vivo MRI vrijwel overeenkomen kan worden benaderd door gebruik anatomische oriëntatiepunten in slice geometrie opstart tijdens acquisitie zou een niet-lineaire registratie nog steeds nodig zijn om een hogere nauwkeurigheid bereikt in de aanpassing van deze twee MRI beelden. Het ontwerp van de hersenen houder en snijmachine is een cruciale stap. Bij het creëren van het digitale model van de hersenen, is een egalisatie algoritme toegepast die enigszins vergroot het model opzichte van de vaste hersenen. Dit maakt gemakkelijk inbrengen van de hersenen in de houder en snijmachine en vermindert de scherpe randen in de houder &amp;# 39; s contour. Indien het model te groot is (bijvoorbeeld meer dan 5%), de hersenen kan bewegen tijdens de postmortem MRI en / of snijden. Een ander belangrijk punt is het ontwerp van de hersenen model aan te passen dat het cerebellum goed in de 3D geprint object geplaatst. Dit kan vooral lastig zijn wanneer de kleine hersenen heeft tijdens de hersenen extractie bij de autopsie is beschadigd. Bij het afdrukken van de hersenen snijmachine en houder, het type 3D printer moet ook zorgvuldig worden gekozen. Sommige multi-jet printers vereisen post-processing met behulp van een oven om steun materiaal te verwijderen. Hoewel deze printers objecten die waterdicht en relatief duurzamer dan desktop Fused Deposition Modeling (FDM) printers kan produceren, het verwarmingsproces aan steunen te verwijderen kan enigszins vervormen geven, creëren blade gaten die niet perfect loodrecht op de hersenen contour. De hersenen snijden proces is een cruciale stap. Voor het snijden the gehele hersenen tot platen, is het belangrijk ervoor te zorgen dat de hersenen vast zit in de hersenen slicer er mag geen beweging wanneer lichte druk wordt aangebracht op de hersenen. Dit maakt het mogelijk dat de messen door de hersenen te snijden op de precieze locatie van de onderzoekers vastgesteld. Een continue, evenwichtige druk moet worden aangebracht op beide meshouders bij het zagen. Afhankelijk van de scherpte van de bladen en de stijfheid van het weefsel, kan een lichte dwarse snijbeweging voordelig voor handhaving platte snijvlakken zijn. De paraffine inbedding proces kan ook een bron van verkeerde uitlijning tussen MRI en histologie worden. Als het weefsel niet vlak plaat zit tegen de cassette tijdens het inbedden, zal er een kanteling tussen het snijvlak van het microtoom en het oppervlak plaats van de plaat zijn. Dit vereist snijden onbruikbare gedeelten om een ​​plat vlak waarbij alle weefsel wordt blootgesteld voorbeeld. Een manier om te corrigeren voor de kantelingwordt door de hoek van het zichtbare vlak op de hoge-isotrope resolutie postmortem MRI. Dit is echter vrijwel onmogelijk kan worden uitgevoerd op de in vivo MRI die meestal wordt verkregen met anisotrope resolutie (meestal dikke coronale plakken). Ten slotte kan het weefsel enkele vervorming tijdens de formaline fixatie periode en inbedden in paraffine (krimp) ervaren, evenals tijdens de voorbereiding van dia&#39;s (vouwen, scheuren, rimpels). Sommige van deze vervormingen kunnen worden gecorrigeerd door er 4-5 urn secties in een waterbad vóór de overbrenging op objectglaasjes. Andere vervormingen kan deels worden opgelost door het uitvoeren van vervormbare beeld coregistratie van de histologische gedigitaliseerde beelden naar de postmortale MRI-beelden. Niettemin minimaliseren van de vervormingen zorgvuldige en bekwame praktijk de meest effectieve aanpak overeenkomende MRI volumes secties histologie. Tot slot, de hier geïntroduceerde methode maakt investigators om nauwkeurig te beoordelen van de onderliggende pathologie van MRI bevindingen. Meer in het algemeen is een veelbelovende benadering voor het identificeren en / of valideren van nieuwe biomerkers voor MRI onderzoeken die specifieke pathologische processen, zoals ontsteking of remyelinisatie targeten.

In vivo MRI biedt een niet-invasieve en gevoelige meting van de weefselintegriteit op macro-niveau. Veranderingen in de MRI-signaalintensiteit die in vivo worden gezien, zijn uitkomstmaten in veel lopende klinische onderzoeken.1 Hoewel de intensiteitsveranderingen die via MRI worden gezien, gebieden van abnormaliteit in de context van de hele hersenen kunnen identificeren, zijn ze vaak niet specifiek genoeg om pathologische processen te onderscheiden. Dit geldt vooral voor dynamische processen die meerdere pathologieën omvatten. Bijvoorbeeld, bij multiple sclerose (MS) of zijn diermodel, experimentele auto-immuun encefalomyelitis (EAE), overlappen ontsteking, oedeem, myelinedegradatie, axonale vernietiging, gliose en neuronale dood. 2, 3 Om de nodige specificiteit over de onderliggende pathologie te verkrijgen, moet rekening worden gehouden met de context, samen met kennis van de histologie van de door MRI geïdentificeerde abnormale weefsels.
Echter, zelfs in goed gecontroleerde dierexperimenten is het fundamenteel uitdagend om histologie te matchen met in vivo MRI om verschillende redenen. Ten eerste, het verschil in dimensionale schalen tussen histologie secties en MRI is van meerdere ordes van grootte.4 Ten tweede, voor een goede vergelijking, moet de oriëntatie van het MRI-snijplan overeenkomen met het snijplan van het hersenweefsel bij het snijden. Vanwege de vorm van de hersenen is het erg moeilijk om consistent rechte en nauwkeurige sneden te maken wanneer de hersenen op een vlak oppervlak liggen. Ten derde, de grote omvang van de hersenen ten opzichte van een mogelijk klein gebied van belang (laesie, tumor, enz.) creëert een "naald-in-een-hooiberg" scenario voor de patholoog die het weefsel verwerkt. Ten vierde, zelfs wanneer het doelweefsel wordt gevonden, wordt het vaak op een zodanige manier verwerkt dat een associatie met de originele MRI-gegevens vrijwel onmogelijk is. Ten slotte, traditionele pathologische snijden van hersenweefsel is vaak onnauwkeurig en inconsistent, wat de vergelijking tussen histologie secties en MRI-beelden verder compliceert.
Eerdere pogingen om deze uitdagingen te overwinnen, waren gebaseerd op het gebruik van deformationele algoritmen om de gegevens te coregistreren en/of het plaatsen van fiduciale markers binnen of rond het weefsel als referentie.5, 6, 7, 8 De eerste benadering vereist complexe computationele modellen die bijzonder vatbaar zijn voor complicaties door gegevensformatering, beeldartefacten en veranderingen veroorzaakt door weefselverwerking.4 Aan de andere kant introduceert de laatste benadering de mogelijkheid om het weefsel zelf te verontreinigen of anderszins te beschadigen.9
De hier beschreven benadering verbetert de overgang tussen modaliteiten door het gebruik van postmortem MRI om de kloof tussen in vivo MRI en histologie te overbruggen. Postmortem MRI levert driedimensionale (3D) beelden van de hersenen met een hogere resolutie dan in vivo kan worden bereikt en biedt bovendien de gegevens die nodig zijn voor het produceren van een morfologisch nauwkeurig model van het hersenoppervlak. Dit digitale model kan vervolgens worden gebruikt om een 3D-geprinte aangepaste houder voor de hersenen te maken. Met zorgvuldige positionering stelt de hersenhouder nauwkeurige, MRI-georiënteerde hersensneden mogelijk, waardoor de behoefte aan complexe wiskundige algoritmen wordt verminderd, en maakt een focus op specifieke regio's mogelijk voor gerichte bemonstering.
Ons laboratorium introduceerde onlangs nieuwe methoden voor het maken van aangepaste hersenhouders en sneden met behulp van postmortem MRI en 3D-printtechnologie voor menselijke10 en marmoset-hersenen.4 De twee methoden maken een nauwkeurigere correlatie tussen MRI en histologie mogelijk in een onderzoeksomgeving, en maken uiteindelijk een dieper begrip van de specifieke pathologie onderliggend aan MRI-afwijkingen mogelijk. Zorgvuldig ontworpen experimenten, waarbij de hersenen herhaaldelijk worden bemonsterd over tijd in vivo, kunnen context bieden voor de interpretatie van de pathologie, wat op zijn beurt specificiteit kan toevoegen aan de interpretatie van de MRI. Hier presenteren we een gewijzigd protocol in een uniform kader dat kan worden toegepast op elk hersenweefsel, of het nu afkomstig is van niet-menselijke primaten, knaagdieren of mensen. We geven gedetailleerde instructies en een bijbehorende video voor de marmoset-snede. Hoewel het algemene protocol op elk type hersenen van toepassing is, zijn er, vanwege verschillen in MRI-acquisitie en weefselmaten, evenals de uitdagingen die worden ondervonden bij het omgaan met specifieke hersentypes, enkele verschillen in de benadering, afhankelijk van het type hersenen dat wordt verwerkt. In deze presentatie zullen secties met "mens" verschillen in het protocol aanduiden die specifiek zijn voor de menselijke hersenen.

<table><tbody><tr><td>7T/30cm USR AVIII Bruker MRI</td><td>Bruker Biospin</td><td></td><td></td></tr><tr><td>38 mm Bruker Biospin volume coil</td><td>Bruker Biospin</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fomblin</td><td>Solvay Solexis</td><td></td><td></td></tr><tr><td>50 ml Falcon Centrifuge Tubes, Polypropylene, Sterile</td><td>Corning</td><td>21008-951</td><td></td></tr><tr><td>Fisherbrand Gauze Sponges</td><td>Fisher Scientrific</td><td>13-761-52</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm M All-Purpose Laboratory Film</td><td>Bemis</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Leica RM2235 rotary microtome&nbsp;</td><td>Leica</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Leica Disposable Blades, low profile (819)</td><td>Leica</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cresyl Violet Acetate, 0.1% Aqueous</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>26089-01</td><td></td></tr><tr><td>Luxol Fast Blue, 0.1% in 95% Alcohol</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>26056-15</td><td></td></tr><tr><td>ETOH</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultimaker 2 Extended&nbsp;</td><td>Ultimaker</td><td></td><td></td></tr><tr><td>.75 kg Official Ultimaker Branded PLA&nbsp; Filament, 2.85 mm, Silver Metallic</td><td>Ultimaker</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Axio Observer.Z1</td><td>Zeiss</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zen 2 (Blue Edition)</td><td>Zeiss</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Netfabb Professional 5.0.1</td><td>Netfabb</td><td>http://www.netfabb.com/professional.php</td><td></td></tr><tr><td>Meshmixer 10.9.332</td><td>Autodesk</td><td>http://www.meshmixer.com/download.html</td><td></td></tr><tr><td>Mipav 7.2</td><td>NIH CIT</td><td>http://mipav.cit.nih.edu</td><td></td></tr><tr><td>Cura</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/en/products/cura-software</td><td></td></tr></tbody></table>

met behulp van 3d-printtechnologie om samenvoegen mri met de histologie: a protocol for brain snijden

Utilizing 3D Printing Technology to Merge MRI with Histology: A Protocol for Brain Sectioning

Magneetresonantie beeldvorming (MRI) maakt het mogelijk om een onderscheid te maken tussen normaal en abnormaal weefsel op macroscopische schaal, door een volledige weefselvolume driedimensionaal te bemonsteren. Hoewel MRI een uiterst gevoelig hulpmiddel is voor het detecteren van weefselafwijkingen, is de associatie van signaalveranderingen met een onderliggend pathologisch proces meestal niet eenvoudig. In het centrale zenuwstelsel kunnen bijvoorbeeld ontsteking, demyelinisatie, axonaal letsel, gliose en neuronale dood allemaal vergelijkbare bevindingen op MRI veroorzaken. Daarom is interpretatie van MRI-scans afhankelijk van de context, en is radiologisch-histopathologische correlatie van het grootste belang. Helaas is traditionele pathologische sectie van hersenweefsel vaak onnauwkeurig en inconsistent, waardoor de vergelijking tussen histologiesecties en MRI wordt gecompliceerd. Dit artikel presenteert een nieuwe methodologie voor nauwkeurige sectie van hersenweefsels van primaten en maakt zo een nauwkeurige overeenkomst tussen histologie en MRI mogelijk. Het gedetailleerde protocol dat in dit artikel wordt beschreven, zal onderzoekers helpen bij het toepassen van deze methode, die is gebaseerd op het maken van 3D-geprinte hersensnijders. Enigszins gemodificeerd, kan het gemakkelijk worden geïmplementeerd voor hersenen van andere soorten, inclusief mensen.

De werkstroom van deze methode is samengevat in figuur 1. Nadat de hersenen is gesneden, een visuele vergelijking tussen de MR beelden en beelden van het oppervlakkige oppervlak van de platen geeft een goede oriëntatie match meerdere platen (figuur 2). Nadat de platen zijn ingebed in paraffine, worden zij gesegmenteerd op een microtoom en gekleurd. Een grondiger vergelijking van de hoge resolutie postmortem MRI en de gekleurde histologische secties toont een accurate en consistente match in alle structuren van de marmoset hersenen (figuur 3). In dit diermodel van MS, de dieren ontwikkelen wittestoflaesies verspreid over de cerebrale witte stof. Deze letsels kunnen invasief worden gedetecteerd door het uitvoeren van MRI. Figuur 4 toont het vermogen van deze techniek om de pathologische substraat van de MRI bevindingen helderen. Kleine laesies gedetecteerd op in vivo MRI kanworden gevolgd op zowel postmortem MRI en histologie. Zoals in de bijvoegsels, demyelinisatie in de laesies is een van de belangrijkste onderdelen aansturen van de MR signaalverandering (hyperintensiteit vergelijking met omliggende weefsel). De histologie en postmortem MRI ook letsels gemist in vivo MRI (Figuur 4) laten zien. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54780/54780fig1.jpg" /> Figuur 1. Workflow voor het creëren van een marmoset hersenen snijmachine doos. De hersenen gefixeerd met formaline (A1) en een T2-gewogen MRI wordt verkregen met isotrope voxels van 150 pm per rand (A2). De beelden worden verwerkt en thresholded om een ​​binair masker (A3) te creëren. Het oppervlak wordt vervolgens weergegeven in 3D modeling software (A4). Een Booleaanse aftrekken tussen een snijmachine template en de hersenen model creëert een digitaal model van de hersenen snijmachine (B1). De hersenen snijmachine vak wordt afgedrukt op een 3D printer (B2). De hersenen wordt vervolgens stevig in de snijmachine doos voor geplaatstsnijden (B3). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54780/54780fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/54780/54780fig2.jpg" /> Figuur 2. Van links naar rechts: In vivo MRI, postmortem MRI, en weefsel plaat foto. Snijdende vlakken werden vastgesteld op basis van de postmortem MRI (B) en visueel vergeleken met de overeenkomstige in vivo MRI slice (A). De hersenen werden vervolgens gesneden en de resulterende platen bleken consistent (C) zijn. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54780/54780fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 3" src="/files/ftp_upload/54780/54780fig3.jpg" /> Figuur 3. Hoge-resolutie postmortem MRI en histologiesectie matching. Platen werden ingebed in paraffine, gesneden met een microtoom in 4 pm secties en gekleurd met snelle blauwe en cresylviolet (B). De coupes werden vervolgens visueel vergeleken met de 100 urn T2 * gewogen MRI gebaseerd op hersenstructuren (A). Details voor het verwerven van dit beeld zijn in de aanvullende sectie van het protocol en Tabel 1. Brain structuren: (1) rode pijl = interne capsule, blauwe pijl = commissura anterior; (2) rode pijl = putamen, blauwe pijl = optische-darmkanaal; (3) rode pijl = Spiegelse, blauwe pijl = hippocampus; (4) rode pijl = corpus callosum, blauwe pijl = cerebrale aquaduct; (5) rode pijl = inferior colliculus, blauwe pijl = piramidebaan. De gestippelde box aan B1 geeft een plakje wanneer zij tijdens hersenen snijden of inbedden in paraffine, een fout veroorzaakt een kleine rotatie om de Y-as, waardoor mismatch van de anterieure commissuur links. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54780/54780fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om te bekijken</a>grotere versie van dit cijfer. <img alt="figuur 4" src="/files/ftp_upload/54780/54780fig4.jpg" /> Figuur 4. Tracking laesies van in vivo MRI histologie sectie. De in vivo MRI toonde geen overtuigend bewijs van abnormale hyperintensiteit signaal aan laesies in beide optische-darmkanaal (A1) suggereren. Echter, de hoge resolutie postmortem MRI toont duidelijk hyper intense lijnen in zowel de optische traktaten (A2). De snelle blauw / cresylviolet vlek van een 4 urn histologie sectie blijkt dat de hyperintense gebieden gezien op de ex vivo MRI worden gedemyeliniseerde (A3). In de cerebrale witte stof, de in vivo MRI toont subtiel hyperintensiteit bilateraal (B1, uitgebreid in de inzetstukken). De hyperintense gebieden zijn meer voor de hand op de hoge resolutie postmortem MRI (B2). De LFB smet van een 4 urn histologie sectie blijkt dat deze gebieden gedemyeliniseerde (B3). Na vergelijking met de basislijn in vivo MRI en een hemotoxyline-en-eosine vlek, de rechterkant was vastbesloten om een anatomische afwijking, geen gedemyeliniseerd laesie zijn. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54780/54780fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Aanvullende code-bestanden" src="/files/ftp_upload/54780/54780supplementalfiles.jpg" /> Aanvullende code-bestanden. Brain_Slicer_Parts_Marmoset.stl: <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54780/Brain_Slicer_Parts_Marmoset.stl" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a> Brain_Slicer_Parts_Human.stl: <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54780/Brain_Slicer_Parts_Human.stl" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a> Cap_Insert.stl: <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54780/Cap_Insert.stl" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>

De algemene doelstelling van dit protocol is om nauwkeurig af te stemmen magnetic resonance imaging (MRI) image volumes met histologie secties via de creatie van op maat gemaakte 3D geprint hersenen houders en snijmachine dozen.

Met behulp van 3D-printtechnologie om samenvoegen MRI met de histologie: A Protocol for Brain Snijden

Magnetic resonance imaging (MRI) allows for the delineation between normal and abnormal tissue on a macroscopic scale, sampling an entire tissue volume ...

Het algemene doel van dit protocol is om MRI-beeldvolumes nauwkeurig uit te lijnen met histologische coupes door de creatie van op maat gemaakte 3D-geprinte breinhouders en slice-boxen. Hoewel deze video zich richt op hersenweefsel geëxtraheerd uit eenmarmositeit, kan dit protocol worden toegepast op elk brein, of dit nu afkomstig is van een knaagdier, een niet-menselijke primaat of een mens. Richt een werkstation in zoals beschreven in het protocol.Vul de buis met Fomblin en gaas tot de markering van 20 milliliter. Comprimeer het gaas om onderweg luchtbellen te verwijderen. Droog de hersenen voorzichtig van formaline.Plaats vervolgens het brein met de voorkant naar de bodem van de buis. Bevestig het brein voorzichtig in de buis door gaas rond de zijkant van het brein aan te brengen om de positie te fixeren. Vul de rest van de buis met gaas en Fomblin.Verwijder tijdens dit proces voorzichtig alle luchtbellen. Draai vervolgens de dop stevig vast en verzegel de buis met paraffine. Markeer de dop en de lijn ter hoogte van de interhemisferische fissuur.Wikkel de buis vervolgens in een papieren handdoek en plaats deze in de spoel met de markering in de bovenste centrale positie. Plaats de spoel in de MRI-scanner. Na de acquisitie en post-processing beschikken we over een T2-gewogen beeld dat we kunnen gebruiken om een digitaal model van de hersenen te maken.Open de MRI in de coronale oriëntatie. Gebruik vervolgens de transformatietools om het beeld te resamplen naar 1 millimeter isotrope voxels. Pas daarna een niet-lineair ruisonderdrukkingsfilter toe.Selecteer de weergave van de opzoektabel. Klik vervolgens op de knop voor de dubbele drempelwaarde. Versleep de schuifregelaar op de grafiek om de gehele hersenen te beslaan.Maak een binair hersenmasker met het segmentatie-algoritme Threshold using min/max. Voer de waarde die in de linkeronderhoek van de intensiteitsgrafiek staat, direct onder de schaal, in bij het vak Lower limit. Selecteer vervolgens Binary en vink Inverse threshold uit.Selecteer het morfologische algoritme, Fill holes. Vink Process in 2.5D aan. Om de opening tussen de rhombencephalon en de cortex op te vullen, selecteert u line VOI.Trek een verbinding tussen de rhombencephalon en de cortex aan beide zijden van de hersenen op het meest laterale punt. Ga verder met het tekenen van VOI-verbindingen door de hersenen. Converteer de VOI's naar een binair masker.Gebruik de Image calculator om de VOI- en hersen-binaire maskers te combineren door de OR-operatie te selecteren. Selecteer Promote destination image type. Selecteer nu het morfologische algoritme Fill holes.En vink Process in 2.5D aan. Selecteer het algoritme Extract surface, selecteer Mask image, voer een naam in en selecteer vervolgens het bestandstype ply. De openingen in de cutting box die overeenkomen met de locatie van het snijvlak kunnen worden geplaatst beginnend vanaf de voorkant van de hersenen, de achterkant van de hersenen of relatief aan een gebied van belang, zoals de laesies in de witte stof die hier te zien zijn.Teken met behulp van de box VOI een kader rondom de hersenen. Kopieer en plak het kader op het aantal MRI-plakjes dat overeenkomt met de beoogde dikte van de plaatopeningen. Sla vervolgens het aantal MRI-plakjes per sectie over en plaats het kader zoals eerder gedaan om een volgende mesopening te creëren.Herhaal dit proces door het gehele brein. Zet de box VOI's om naar een binair masker. Extraheer vervolgens het oppervlak met Extract surface, zoals eerder is gedaan voor het brein.Selecteer het binaire masker van de mesopening. Gebruik Image math om dit met 10.000 te vermenigvuldigen. Gebruik vervolgens Image calculator om het vermenigvuldigde binaire masker toe te voegen aan de geresamplede isotrope MRI.Door nu de triplanaire weergave te selecteren, kan een MRI-meskaart waarop de locatie van de hersensneden is aangegeven, in drie orthogonale weergaven worden bekeken. Selecteer in Netfabb Professional 'Add part'. Selecteer vervolgens de modellen 'Blade Gap' en 'Brain Model plys'.Selecteer het hersenmodel en klik op de reparatiemodus. Gebruik de knop voor schilselectie om de hersenen te selecteren. Schakel vervolgens de selectie over naar de andere schillen en verwijder deze.Pas vervolgens de reparatie toe en verwijder het oude deel. Selecteer 'Move' terwijl het brein is geselecteerd. Klik op 'to origin' en noteer de parameters in de X-, Y- en Z-vakken.Deze zijn nodig om de positionering van de mesopening te handhaven. Klik op vertalen. En sluit het venster.Selecteer het Blade Gap-model en vertaal dit met behulp van de parameters die in de vorige stap zijn genoteerd. Selecteer het Brain-model en klik op de reparatiemodus. Gebruik de knop voor shell-selectie om de hersenen te selecteren.Select vervolgens Smooth triangles. Voer vier in als aantal Iterations. En vink Prevent volume shrinking aan.Selecteer Reduce Triangles en voer 200000 in bij het vak Target Triangle Count. Selecteer vervolgens Automatic repair en voer een standaardreparatie uit. Pas de reparatie toe.Exporteer vervolgens het gladgestreken hersenmodel als een STL. Importeer het gladgestreken hersenmodel in Meshmixer. Gebruik de sculpting-tools om de gebieden die met de lijn-VOI's zijn getekend glad te maken.En herstel alle overige kleine defecten in het model. Importeer het gladgestreken en bewerkte breinmodel in Netfabb Professional. Voeg vervolgens het onderdeel 'brain slicer parts marmoset' toe.Selecteer Shells naar onderdelen. Hernoem vervolgens elk onderdeel zoals beschreven in het protocol. Klik en sleep de onderdelen met de in het protocol beschreven selectie-instellingen om de hersenen in het midden van de box te positioneren.Klik en sleep de onderdelen om de diepte van de hersenen in de box aan te passen. Selecteer het gladgestreken, bewerkte hersenmodel, het box-cutout-model en selecteer de booleaanse bewerking. Klik op het hersenmodel om het rood te maken.Selecteer vervolgens booleaanse aftrekking. Voer de berekeningen uit. Controleer op overhangingen die kunnen voorkomen dat de hersenen correct worden geplaatst.Raadpleeg de aanvullende sectie van het protocol voor een methode om deze te verwijderen. Selecteer het model van de mesopening en klik op verplaatsen. Registreer op Z-positie.Dit zal de positie van de meest posterieure mesopening zijn. Sluit vervolgens het venster. Selecteer het mesgedeelte uit de onderdelen van de hersensnijmachine en klik op Verplaatsen.Voer de Z-waarde uit de vorige stap in. Voer vervolgens de huidige positie X- en Y-waarden in. Selecteer absolute Translation en voer de translatie uit.Klik op Dupliceren. Als de sectiedikte consistent is, zoals hier getoond, voert u het totale mesnummer, het totale aantal en de Z-telling in, en voert u de sectiedikte in het vak voor de Z-gap in. Selecteer vervolgens dupliceren.Selecteer het microtoommes-onderdeel uit de onderdelen van de hersensnijder. Herhaal dezelfde stappen voor het verplaatsen en dupliceren als bij het mes-onderdeel. Selecteer alle Microtoommesen en de hoofdmesshouder en klik op de booleaanse bewerking.Selecteer alle Microtoomassen om ze rood te maken en klik op booleaanse aftrekking. Pas vervolgens de berekeningen toe. Ga naar de reparatiemodus en selecteer Automatische reparatie.Voer een Extended Repair uit en pas de reparatie toe. Exporteer de blade holder als een STL. Selecteer alle blades, de hoofd- en subdozen en het afgevlakte, bewerkte Brain-model, en klik op boolean operation.Gebruik het selectievenster voor Onderdelen om alle Onderdelen, met uitzondering van de hoofdbehuizing, rood te maken. Selecteer vervolgens booleaanse aftrekking. Voer de berekeningen uit.Ga naar de reparatiemodus en vink het vakje aan voor scherpe randen die het brein zouden kunnen beschadigen. Deze kunnen worden hersteld in de reparatiemodus van Netfabb, of met behulp van de sculpting-tools in Meshmixer.Selecteer vervolgens Automatisch herstel. Voer een Uitgebreid herstel uit. Pas daarna het herstel toe.Exporteer de brain box als een STL-bestand. Selecteer in Cura 'Load' en importeer de Brain Box. Klik op de knop 'Rotate'.Klik vervolgens en sleep om de box plat te leggen. Pas de printinstellingen aan zoals beschreven in het protocol. Sla daarna het gereedschapspad op.Volg hetzelfde proces voor de meshouder en dupliceer ook dit object. Sla vervolgens het gereedschapspad op. Breng een dunne laag lijm aan op het printbed en print de breinbox en de meshouders op de 3D-printer met de instellingen die in het protocol worden beschreven.Nadat het printen is voltooid, kan het brein worden voorbereid op het snijden. Richt een werkstation in zoals beschreven in het protocol. Plaats het brein voorzichtig in de doos en zorg ervoor dat het stevig is vastgezet.Plaats de microtoombladen in de bladhouders in de overeenkomstige openingen van de doos. Druk met beschermende handschoenen stevig op de bladhouders. Oefen een langzame, gelijkmatige druk uit om het brein te snijden.Verwijder de plakjes één voor één, beginnend bij de voorkant van de hersenen. Hoewel deze aanpak rechttoe rechtaan is, vereist de methode veel stappen en het gebruik van verschillende soorten software; onderzoekers moeten daarom bekend raken met de gebruikersinterfaces voordat ze met de procedure beginnen. Deze workflow vat het protocol voor het maken van de snijkist voor marmosietenhersenen samen.De hersenen worden gefixeerd met Formalin en er wordt een T2-gewogen MRI gemaakt met een resolutie van 150 micron. De beelden worden verwerkt en er wordt een drempelwaarde toegepast om een binair masker te creëren. Het oppervlak wordt vervolgens gerenderd in 3D-modelleersoftware.Een booleaanse aftrekking tussen een sjabloon van de slicer en het hersenmodel creëert het digitale model van de hersenslicer. De slicerbox voor de hersenen wordt vervolgens op een 3D-printer geprint. De hersenen worden daarna stevig in de slicerbox geplaatst om te kunnen snijden.Zodra het brein is gesneden, onthult een visuele vergelijking tussen de In Vivo en post-mortem MRI-beelden en foto's van de oppervlakkige zijden van de plakken een goede overeenstemming in de oriëntatie over meerdere plakken heen. Een grondigere vergelijking tussen de hoge-resolutie post-mortem MRI en de LFB CV-gekleurde histologische coupes van meerdere breinplakken demonstreert een nauwkeurige en consistente match over alle structuren van het marmosetbrein. In dit diermodel voor Multiple Sclerose ontwikkelen de dieren wittestoflaesies die verspreid over het hele brein voorkomen.Met deze techniek kunnen kleine laesies die via in vivo MRI zijn gedetecteerd, worden gevolgd op zowel post-mortem MRI als histologische coupes. De histologie en post-mortem MRI kunnen bovendien laesies onthullen die anders over het hoofd zouden zijn gezien op de in vivo MRI. In dit geval vertoonde de in vivo MRI geen overtuigend bewijs van een normaal, hyperintens signaal dat zou wijzen op laesies in een van de tractus optici.Niettemin werden in de post-mortem MRI signaalhyperintensiteiten in het opticustractus waargenomen. Deze gebieden kwamen direct overeen met de gemyeliniseerde laesies die zichtbaar waren in de LFB CV histologische sectie. Concluderend stelt de hier geïntroduceerde methodologie onderzoekers in staat om de pathologie die ten grondslag ligt aan MRI-bevindingen nauwkeurig te beoordelen.Wij beschouwen dit als een veelbelovende benadering voor het identificeren van nieuwe biomarkers voor ziekten met betrekking tot de hersenen en voor specifieke pathologische processen zoals inflammatie en remyelinisatie.

utilizing-3d-printing-technology-to-merge-mri-with-histology-protocol

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowetenschap

Met behulp van MRI-scans (menselijk), 3D-beeldvormingssoftware en immunohistologische analyse documenteren we veranderingen in de laterale ventrikels van de hersenen. Longitudinaal 3D-mapping van veranderingen in het volume van de laterale ventrikels en de karakterisering van periventriculaire cellulaire veranderingen die optreden in de menselijke hersenen als gevolg van veroudering of ziekte worden vervolgens gemodelleerd bij muizen.

3D modellering van de laterale ventrikels en histologische karakterisering van periventriculaire Tissue bij de mens en muis

Met behulp van meerdere hoeken om de muis pup hersenen snijden, verbeteren we op een eerder beschreven acute hersenen slice, die de verbindingen tussen de meeste van de grote auditieve middenhersenen en de voorhersenen structuren vangt.

Modificatie van een Colliculo-thalamocorticale Mouse Brain Slice, Integratie 3-D printen van Chamber Components en multi-scale Optische beeldvorming

Dit artikel beschrijft een eenvoudige methode ter voorbereiding van kleine dierlijke hersenen van micro-CT beeldvorming, in welke letsels kunnen worden gekwantificeerd en elektroden gelegen met hoge precisie in de context van de hele hersenen.

Een Micro-CT-gebaseerde methode voor het karakteriseren van laesies en vinden van elektroden in kleine dierlijke hersenen

Dit artikel introduceert een experimenteel protocol met behulp van 3D-scantechnologie die twee ruimtelijke schalen overbrugt: de macroscopische ruimtelijke schaal van de anatomie van de gehele hersenen die wordt afgebeeld door een MRI op &gt; 100 μm en de microscopische ruimtelijke schaal van neuronale verdelingen met behulp van Immunohistochemie-kleuring en een multi elektrode-array systeem en andere methoden (~ 10 μm).

3D scanning technologie bridging micro circuits en Macroscale hersen beelden in 3D novel insluiten overlappend Protocol

We introduceren een semi-automatisch protocol voor vorm analyse op hersenstructuren, inclusief beeldsegmentatie met behulp van open software, en verdere groepsgewijze vorm analyse met behulp van een geautomatiseerd modellerings pakket. Hier demonstreren we elke stap van het 3D-vorm analyse protocol met hippocampal segmentatie van Brain MR images.

Driedimensionale vorm modellering en analyse van Hersenstructuren

Multiple sclerose is een inflammatoire demyelinerende ziekte zonder genezing. Analyse van hersenweefsel biedt belangrijke aanwijzingen om de pathogenese van de ziekte te begrijpen. Hier bespreken we de methodologie en downstreamanalyse van MS hersenweefsel verzameld via een uniek snel autopsie programma in werking in de Cleveland Clinic.

Uitgebreid autopsie programma voor individuen met multiple sclerose

Het protocol beschrijft de fabricage van volledig gekleurde driedimensionale afdrukken van patiënt-specifieke, anatomische schedel modellen te gebruiken voor chirurgische simulatie. De cruciale stappen van het combineren van verschillende beeldvormings modaliteiten, beeldsegmentatie, driedimensionale model extractie en de productie van de prints worden toegelicht.

Multicolor 3D printen van complexe intracraniële tumoren in Neurochirurgie

De onderstaande methode is bedoeld om een uitgebreid protocol te bieden voor de voorbereiding van niet-menselijke primaten (NHP) neurochirurgie met behulp van een nieuwe combinatie van driedimensionale (3D) printmethoden en MRI-gegevensextractie.

Een MRI-gebaseerde toolbox voor neurochirurgische planning bij niet-menselijke primaten

Het protocol biedt een gedetailleerde methode van neuronale beeldvorming in hersensegmenten met behulp van een weefselzuiveringsmethode, ScaleSF. Het protocol omvat hersenweefselvoorbereiding, weefselverheldering, behandeling van gewiste plakjes en confocale laserscanmicroscopie beeldvorming van neuronale structuren van mesoscopische tot microscopische niveaus.

Een weefselzuiveringsmethode voor neuronale beeldvorming van mesoscopische tot microscopische schalen

Ondanks de cruciale rol van de plexus choroideus in de hersenen, zijn neuroimaging-studies van deze structuur schaars vanwege het gebrek aan betrouwbare geautomatiseerde segmentatietools. Het huidige protocol heeft tot doel te zorgen voor een handmatige segmentatie van de plexus choroideus die toekomstige neuroimaging-onderzoeken kan informeren.

Handmatige segmentatie van de menselijke plexus choroideus met behulp van hersen-MRI

Het huidige protocol biedt een stapsgewijze procedure voor snelle en gelijktijdige optische clearing, multi-round labeling en 3D volumetrische reconstructie van tientallen postmortale menselijke hersensecties door de (SWITCH - H2O2 - Antigen Retrieval - 2,2'-thiodiethanol [TDE]) SHORT weefseltransformatietechniek te combineren met light-sheet fluorescentiemicroscopiebeeldvorming in een routinematig high-throughput protocol.

Optische opheldering en etikettering voor lichtbladfluorescentiemicroscopie in grootschalige beeldvorming van het menselijk brein

Leer MRI-histologie-alignment met 3D-geprinte hersensnijders voor nauwkeurige radiologische-pathologische correlatie. Dit protocol verbetert de consistentie van hersensecties voor neuropathologisch onderzoek.

Met behulp van 3D-printtechnologie om samenvoegen MRI met de histologie: A Protocol for Brain Snijden

Meer video's verkennen