Tweedimensionale visualisatie met superresolutie van microvasculatuur van de hersenen van ratten met behulp van ultrasone lokalisatiemicroscopie

De reikwijdte van ons onderzoek richt zich op het ontwikkelen van een protocol voor ultrasone lokalisatiemicroscopie om superresolutiebeeldvorming van de microvasculatuur van de hersenen van ratten te bereiken. We streven ernaar de uitdagingen aan te gaan van het balanceren van speciale resolutie en de penetratiediepten bij het afbeelden van kleine bloedvaten, door gedetailleerde inzichten te bieden in de vasculaire structuur en de dynamiek van de bloedstroom in gezonde en ziektetoestanden.

Ons protocol biedt het voordeel dat een hoge ruimtelijke resolutie van 12,5 micrometer wordt bereikt, met behoud van een penetratiediepte tot 12 millimeter, waarmee conventionele methoden, zoals MRI, CT en dubbele echografie, worden overtroffen. In tegenstelling tot optische technieken, maakt het het mogelijk om diepe hersengebieden in beeld te brengen, microvasculaire structuren te reconstrueren en tegelijkertijd de dynamiek van de bloedstroom te visualiseren.

Onze resultaten maken een weg vrij voor het onderzoeken van microvasculaire veranderingen in neurologische aandoeningen, zoals glioblasttumor en de ziekte van Alzheimer. Het vermogen om de dynamiek van de bloedstroom en de microvasculaire architectuur met hoge resolutie te visualiseren, opent nieuwe mogelijkheden om ziekteprogressie, de werkzaamheid van de behandeling en de relatie tussen spierveranderingen en de hersenfunctie te bestuderen.

[Verteller] Plaats om te beginnen de verdoofde rat op de operatietafel. Zet de bovenste snijtanden van de rat vast in de inkeping van de snijstang en plaats de onderkaak onder de stang. Plaats de oorstangen in de benige inkeping, iets naar voren en boven de gehoorgang, en zorg ervoor dat het schedeloppervlak horizontaal blijft. Oefen een kleine hoeveelheid druk uit op verschillende delen van het hoofd om de stabiliteit te beoordelen. Stel de hoogte van het beeldvormingsplatform nauwkeurig af en pas de hoek van het hoofd van de rat aan met behulp van de inkeping in de snijtandstang om een onbelemmerde ademhaling te garanderen. Breng erytromycinezalf of 30% glycerine-oplossing aan op de ogen van de rat om ze te beschermen tegen operatielampen en om vocht vast te houden. Scheer met een draagbare elektrische tondeuse het hoofd van de rat tegen de richting van de haargroei in en bedek het gebied tussen de oren en van de ogen tot de nek. Maak nu een incisie langs de sagittale hechting van de schedel van de rat, beginnend alleen het achterhoofdsbeen en ongeveer vier centimeter naar voren uitstrekkend. Gebruik hemostaten om de huid aan beide kanten terug te trekken. Snijd eventueel de huid over de schedel weg voor een betere toegang. Gebruik een kleine schaar om het botzakje van de schedel te verwijderen, waardoor de harde botlaag volledig bloot komt te liggen. Voer de craniotomie uit met een draagbare mini-schedelboor, met een bolvormige boor van 2.5 millimeter. Tik zachtjes om het bot te schuren, boor twee tot drie seconden per keer, begin centraal en ga verder naar buiten. Injecteer elke twee minuten ongeveer een milliliter 0,9% natriumchloride-oplossing in het boorgebied om af te koelen en vuil weg te spoelen. Schakel over op een fijnere boor van een millimeter zodra het witte botweefsel niet langer consistent verbonden lijkt. Ga door met boren totdat de centrale grote bloedvaten duidelijk zichtbaar zijn als donkerbruin, waarbij het omringende weefsel roze lijkt en de microvaten licht roodachtig. Om het contrastmiddel te bereiden, lost u SF6-gas en gevriesdroogd contrastmiddelpoeder op in vijf milliliter 0,9% natriumchloride. Schud het mengsel krachtig om een microbel of MB-suspensie te vormen, met een uiteindelijke SF6-concentratie van acht microliter per milliliter. Zuig 0,8 milliliter van de MB-suspensie op in een spuit van één milliliter die is bevestigd aan een micro-injectiepomp. Steek een 26 gauge lange verblijfsnaald met een katheter in de staartader van de rat en injecteer. Monteer vóór de beeldvorming een sonde met een centrale frequentie van 15.625 megahertz op de manipulatorarm van het stereotactische instrument van de hersenen dat is uitgerust met een klem. Plaats de ultrasone sonde direct boven de blootgestelde hersenen van de rat en breng koppelingsgel aan op het blootgestelde hersenoppervlak om een optimale signaaloverdracht te garanderen. Open de hoofdinterface van de software, die een wrap-hersenatlas integreert met programma's voor motorische bewegingscontrole. Stel het BGMA-punt in als de oorsprong en gebruik het realtime display van de software om het traject van de sonde en de bijbehorende locatie van de hersenplak van de rat te volgen. Selecteer het doelbeeldvlak, zoals BGMA minus één millimeter. Start MATLAB 2021a-software en voer het data-acquisitiescript in MATLAB 2021a in. Typ in de hoofdmap "activeren" in het opdrachtregelvenster om de runtime-omgeving te activeren. Stel vervolgens de begin- en einddiepten van de gegevensverzameling in op respectievelijk vijf en 120 golflengten om het interessegebied effectief vast te leggen. Stel de stuurhoeken van de vlakgolftransmissie in op min vijf graden tot vijf graden in stappen van 2.5 graden om de beeldresolutie en het contrast te verbeteren. De ultrasone lokalisatiemicroscopie onthulde een duidelijke visualisatie van microvaten op een diepte tot 12 millimeter. Analyse van de volledige breedte bij het halve maximum gaf de kleinste detecteerbare vaatdiameter aan als 13 micrometer. Fourierringcorrelatie bevestigde de ruimtelijke resolutie van microvasculaire beeldvorming als 12,5 micrometer. De bloedstroomrichtingen in een dwarsdoorsnede van de hersenen van de rat vertoonden een neerwaartse stroom in kleine corticale slagaders en een opwaartse stroom in kleine aderen, respectievelijk weergegeven door blauwe en rode kleuren. Een snelheidskaart toonde hogere stroomsnelheden in grotere vaten, waarbij de meeste snelheden geconcentreerd waren in het bereik van 10 tot 25 millimeter per seconde. Beeldvorming van het glioblastoomrattenmodel toonde abnormale vasculaire dilatatie, structurele onregelmatigheden in de buurt van de tumor, veranderde bloedstroompatronen in het tumorgebied en een heterogene vasculaire stroom in en rond de tumor.