Een magnetische resonantie beeldvorming Protocol voor beroerte begin tijd schatting in permanente cerebrale ischemie
16 september 2017
Een protocol voor beroerte begin tijd schatting in een rat-model van een beroerte exploitatie van kwantitatieve magnetische resonantie beeldvorming (qMRI) parameters is beschreven. De procedure exploiteert verspreiding MRI voor afbakening van de acute beroerte laesie en kwantitatieve T1 , T2 (qT1 en qT2) ontspanning keer voor timing van een beroerte.
Magnetische resonantiebeeldvorming biedt een gevoelig en specifiek hulpmiddel om acute ischemische beroertes te detecteren door het bepalen van de schijnbare diffusie-coëfficiënt van hersenweefsel, ook wel ADC genoemd. In een rattenmodel van ischemische beroerte namen de hemisferische verschillen in kwantitatieve T1 en T2 relaxatietijden binnen de ischemische laesie toe met de tijd vanaf het begin van de beroerte. De tijdsafhankelijkheid van deze verschillen wordt heuristisch beschreven door een lineaire functie en biedt zo eenvoudige schattingen van het begintijdstip van de beroerte.
De volumes van weefsel met verhoogde T1 en T2 relaxatietijden binnen de ischemische laesie nemen ook lineair toe, wat een aanvullende methode biedt voor het bepalen van het tijdstip van de beroerte. Hier presenteren we een semi-geautomatiseerde computerroutine die ADC gebruikt om acuut ischemische beroerteweefsel in de hyperacute fase van permanente focale ischemie af te bakenen. Verhoogde relaxatietijden die ook binnen het ischemische beroerteweefsel worden geïdentificeerd, worden gebruikt om het begintijdstip van de beroerte te bepalen.
Er werden mannelijke Wistar-ratten gebruikt die 300 tot 400 gram wogen en een permanente occlusie van de middenhersenslagader kregen om een focale ischemische beroerte te induceren. Voor de duur van de operatie en MRI-experimenten wordt de rat geanesthetiseerd met isofluraat via een gelaatmasker. Na het maken van een incisie in de nek wordt de luchtpijp blootgelegd en worden de spieren van de luchtpijp gescheiden.
De wond wordt uitgebreid om de weg naar de gewone halsslagader of CCA vrij te maken. De CCA wordt blootgelegd terwijl het zenuwbundel ernaast wordt vermeden. Een microhaak wordt gebruikt om de CCA te grijpen en de buitenste halsslagader, de ECA, en de binnenste halsslagader, de ICA, bloot te leggen.
De circulatie van de CCA wordt geblokkeerd met chirurgische draad. De ECA wordt genaaid. Het carotide lichaam wordt gescheiden van de ICA en de bifurcatie van de ICA wordt gelokaliseerd om ervoor te zorgen dat wanneer de occluderende draad wordt ingebracht, deze de linker middenhersenslagader bereikt en blokkeert.
Een losse naald wordt rond de ICA geïntroduceerd. In de ICA wordt een klem geplaatst zodat deze dieper ligt dan de naald. De ECA wordt dicht bij de dubbele knoop gehouden die om de buitenste halsslagader is gebonden.
Het overtollige deel van de ECA wordt verbrand om bloeding uit de ECA te voorkomen. De occluderende draad wordt in de ECA ingebracht en de ICA wordt uitgelijnd met de ECA. De draad wordt vervolgens tot de klem gevoerd.
De losse naald wordt dan vastgezet zodat de draad nog steeds kan glijden binnen de ECA. De klem wordt vervolgens verwijderd en de occluderende draad wordt verder gevoerd tot ongeveer twee centimeter is ingebracht. Er wordt nog een knoop toegevoegd zodat de losse knoop een dubbele knoop wordt.
De naden worden vastgezet en de retractoren worden verwijderd. De wond wordt vervolgens gesloten. Direct na occlusie wordt de rat bevestigd in een wieg in het midden van de 9,4 Tesla magneetstaaf met behulp van oordopjes en een beetblok.
Tijdens de beeldvorming worden isofluraatniveaus rond 2% gehandhaafd en wordt de temperatuur dicht bij 37 graden Celsius gehouden met behulp van een waterverwarmingspad onder de romp van de rat. Tijdens de beeldvorming worden de ademhalingssnelheid en rectale temperatuur gecontroleerd. MRI-gegevens worden verzameld gedurende maximaal vijf uur na occlusie en met intervallen van een uur worden 12 congruent bemonsterde axiale plakken van de diffusietenzor-tracer, CPMG T2 en Flash T1 verkregen.
Details van de sequentieparameters staan vermeld in het manuscript. Aan het einde van het experiment worden de ratten gedood en wordt Trifenyl Tetrazoliüm Chloride of TTC-kleuring uitgevoerd om de aanwezigheid van ischemie in rattenhersenen te bevestigen. Details voor de TTC-kleuring worden gegeven in het manuscript.
Na het verkrijgen van MRI-gegevens, hebben we vervolgens geprobeerd een semi-geautomatiseerde methode te ontwikkelen om het ischemische weefsel te detecteren en zijn relaxometrische signatuur te karakteriseren. T2-relaxatie werd gemodelleerd als een mono-exponentiële afname. T2-kaarten werden aangepast door de natuurlijke logaritme langs de echotijddimensie te nemen en een lineaire functie te passen op elk voxel.
T1-relaxatie werd gemodelleerd als een mono-exponentieel teruggekeerd naar evenwichtsmagnetisatie en werd gepast met behulp van de binaire krijtmethode. ADC-kaarten werden berekend onder de veronderstelling van mono-exponentieel verlies van signaal met betrekking tot B-waarde. Met alle kwantitatieve beelden op hun plaats kon ischemische weefsel worden geïdentificeerd met behulp van de reciproke ADC-kaarten.
Deze kaarten werden gethreshold waardoor het weefsel als ischemische werd gelabeld als de reciproke ADC één mediaan absolute afwijking boven de mediaan reciproke ADC van niet-ischemisch weefsel overschreed. Dit proces kon automatisch en objectief worden uitgevoerd. Met ischemische weefsel afgebakend, werd de verdeling van T1 en T2 in elk volume van belang berekend.
Om de verdeling van T1 en T2 in de contralaterale hemisfeer te verkrijgen, werd het volume van belang voor het ischemische weefsel gespiegeld. In dit voorbeeld kunnen de T1 en T2 distributies naar rechts verschuiven met de tijd na het begin. Om de veranderingen in de verdelingen van T1 en T2 met de tijd te beschrijven, gebruiken we twee verschillende parameters.
De parameter f is gedefinieerd zoals getoond. Dit biedt een heuristische parameterisatie van het aandeel voxels in de ischemische laesie met ongewoon hoge of lage T1 of T2 waarden. Er is vereist dat voxel in een T1 of T2 kaart kan worden gecategoriseerd als een hoge, lage of normale waarde hebben.
Een hoge T1 of T2 waarde in de ischemische laesie werd gedefinieerd als een waarde die 1/2 maximum boven de mediaan T1 of T2 van het niet-ischemische volume van belang overschreed. F1 is de fractie van
Overzicht
Deze studie presenteert een protocol voor het schatten van het tijdstip van het begin van een beroerte in een ratmodel met behulp van kwantitatieve magnetische resonantiebeeldvorming (qMRI). De methode maakt gebruik van diffusie-MRI om acute beroerteletsels te identificeren en hanteert kwantitatieve T1- en T2-relaxatietijden voor een nauwkeurige tijdsbepaling van het begin van de beroerte.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Magnetische Resonantie Imaging
- Beroerteonderzoek
Achtergrond
- Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) is essentieel voor het detecteren van een acuut ischemisch infarct.
- De studie richt zich op een ratmodel om de relatie tussen qT1- en qT2-relaxatietijden en het tijdstip van het infarct te onderzoeken.
- Inzicht in het beginstijdstip van het infarct is cruciaal voor het verbeteren van de behandelresultaten.
- Diffusie-MRI helpt bij het effectief afbakenen van ischemische laesies.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een betrouwbare methode voor het schatten van het tijdstip van het begin van een beroerte met behulp van qMRI-parameters.
- Het beoordelen van de veranderingen in de T1- en T2-relaxatietijden in relatie tot de progressie van de beroerte.
- Het bieden van een semi-automatische aanpak voor het identificeren van ischemisch weefsel.
Gebruikte methoden
- Mannelijke Wistar-ratten ondergingen een permanente occlusie van de middelste cerebrale arterie om een beroerte te induceren.
- Diffusie-MRI werd uitgevoerd om gegevens over de T1- en T2-relaxatietijden te verkrijgen.
- ADC-kaarten werden gegenereerd om ischemisch weefsel af te bakenen.
- Statistische modellen werden toegepast om het tijdstip van het begin van de beroerte te schatten op basis van veranderingen in de relaxatietijd.
Belangrijkste resultaten
- Kwantitatieve T1- en T2-relaxatietijden namen lineair toe met de tijd na het infarct.
- De semi-geautomatiseerde methode identificeerde ischemisch weefsel effectief.
- Het tijdstip van het begin van het infarct kon met verminderde onzekerheid worden geschat met behulp van lineaire modellering.
- Verhoogde relaxatietijden correleerden met het volume van het ischemische weefsel.
Conclusies
- De studie biedt een robuust protocol voor het schatten van het beginstijdstip van een beroerte in een ratmodel.
- Kwantitatieve MRI-parameters zijn waardevol voor het begrijpen van de dynamiek van een beroerte.
- Deze methode kan de nauwkeurigheid van de diagnose van een beroerte en de behandelplanning verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Het schatten van het tijdstip van het begin van een beroerte is cruciaal voor de preklinische evaluatie van neuroprotectieve therapieën, waarbij de timing een directe impact heeft op de mechanistische interpretatie en go/no-go-beslissingen. Dit MRI-protocol biedt kwantitatieve, tijdsafhankelijke biomarkers (qT1, qT2, Voverlap) die risicoreductie van beroertemodellen mogelijk maken door pathofysiologische progressie te koppelen aan meetbare imaging-eindpunten. De aanpak ondersteunt targetvalidatie in permanente ischemie-modellen door een reproduceerbare methode te bieden om de timing van de behandeling af te stemmen op de evolutie van de laesie, waardoor het voorspellend vertrouwen in de vroege ontdekkingsfase wordt verbeterd.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door de timing van de interventie te correleren met de kwantitatieve, via MRI afgeleide progressie van de laesie.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerde, semi-geautomatiseerde methode om ischemisch weefsel af te bakenen en verschillen in relaxatietijd tussen experimentele groepen te kwantificeren.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie via lineaire modellering van qT2-afgeleide schattingen van de aanvalstijd (nauwkeurigheid ±28 min) voor een consistente temporele uitlijning in dosis-responsonderzoeken.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve T1 en T2 relaxatiemetrieken op voxelniveau die dienen als reproduceerbare biomarkers voor de status van ischemisch weefsel.
- Operationele waarde: De op ADC gebaseerde semi-automatische routine maakt een objectieve afbakening van laesies mogelijk, waardoor de inter-operator variabiliteit bij de kwantificering van het laesievolume wordt verminderd.
- Assay-gereedheid: Outputs zoals Voverlap en hemisferische qT2 verschillen leveren schaalbare, lineaire uitlezingen die compatibel zijn met high-throughput imaging-workflows.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Verbindt vroege MRI-biomarkers met histopathologische bevestiging (TTC-kleuring), wat de validatie van imaging-eindpunten ten opzichte van de gouden standaard voor infarctvalidatie ondersteunt.
- Mechanische risicoreductie: Kwantificeert de evoluerende heterogeniteit van laesies via de distributie van abnormale qT1/qT2 voxels, wat inzicht geeft in de weefselstatus buiten een binaire infarct/niet-infarct classificatie.
- Risico-gecorrigeerde voortgang: Maakt tijdgestratificeerde analyse van therapeutische effecten mogelijk door interventies te koppelen aan de geschatte aanvangstijd, waardoor de variabiliteit in longitudinale studies wordt verminderd.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het continuüm van preklinische stroke-ontwikkeling, waarbij vroege targetvalidatie wordt ondersteund door hemodynamische modellering en wordt voortgezet naar leadidentificatie via tijdgevoelige screening van de effectiviteit in modellen van permanente ischemie.
- Discovery Biology: Test target-interactie door te meten hoe interventies de lineaire tijdsafhankelijkheid van qT1- en qT2-verschillen in ischemische versus contralaterale hemisferen beïnvloeden.
- Screening: Maakt assay-standaardisatie mogelijk via geautomatiseerde ADC-drempelwaarden en voxelclassificatie (hoog/laag/normaal T1/T2) voor een consistente laesiekarakterisering.
- Analytics: Levert kwantitatieve afhankelijke variabelen (F1, F2, Voverlap, hemisferisch qT2-verschil) die lineaire modellen voeden voor de terugberekening van de aanvangstijd en kwantificering van onzekerheid.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt imaging-biomarkers aan de progressie van het laesievolume en de weefselstatus, wat de continuïteit naar histopathologische validatie ondersteunt.
- Enterprise Reuse: De semi-geautomatiseerde computerroutine is ontworpen voor longitudinale toepassing over verschillende tijdstippen en behandelingsgroepen, waardoor hergebruik van het platform in multi-arm studies mogelijk is.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door het leveren van tijdsopgeloste, kwantitatieve imaging-eindpunten die evoluerende pathofysiologische toestanden weerspiegelen.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde MRI-acquisitie (9.4T, CPMG T2, Flash T1, diffusietensor) en objectieve post-processing via de semi-geautomatiseerde routine.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door een nauwkeurige temporele afstemming van dosering op de evolutie van de laesie mogelijk te maken, waardoor fout-negatieve resultaten in tijdgevoelige therapeutische vensters worden verminderd.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering door onzekerheid in schattingen van de aanvangstijd (±25 tot ±47 min) te kwantificeren, waardoor teams bewijslast kunnen wegen op basis van temporele precisie.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in kwantitatieve MRI-acquisitie, relaxatietijdmodellering en voxel-gewijze statistische analyse.
- Afhankelijk van hoogveld-MRI-infrastructuur (9.4T scanner vermeld; protocol gevalideerd bij 4.7T in eerder werk) en software voor ADC-mapping, T1/T2 fitting en lineaire regressie.
- Vereist cross-team standaardisatie van drempelwaarden voor voxelclassificatie (bijv. hoge T1/T2 gedefinieerd als >1/2 max boven de mediane waarde van de contralaterale zijde) en protocollen voor laesie-afbakening.
- Aanpassing aan modellen van transiënte ischemie of klinische scanners vereist hervalidatie vanwege verschillende pathofysiologische trajecten en technische beperkingen vermeld in de bron.
- Praktische beperking: De toepasbaarheid van het protocol is beperkt tot permanente focale ischemie; de nauwkeurigheid neemt af bij reperfusie- of transiënte modellen volgens het bronmateriaal.
