Informacje o dyfuzji tlenu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej są istotne dla zrozumienia, w jaki sposób regulowany jest przepływ krwi w mózgu, aby dostarczyć tlen do komórek mózgowych i zaspokoić zapotrzebowanie metaboliczne. Tradycyjne pomiary polarygraficzne tlenu z wykorzystaniem szklanych elektrod typu Clarka są wysoce inwazyjne, charakteryzują się niską rozdzielczością przestrzenną2-3 oraz znacznym czasem odpowiedzi (rzędu sekund). Do tej pory jedyną nieinwazyjną metodą pomiaru pO2 w tkance mózgowej było wygaszanie fosforescencji, w którym szybkość zaniku wzbudzonej sondy jest proporcjonalna do stężenia tlenu4. Metoda ta zapewnia dokładne wartości stężeń tlenu, ale wymaga zastosowania zastrzeżonego barwnika oraz technicznie zaawansowanego systemu obrazowania czasu życia fosforescencji. W niniejszej pracy prezentujemy prostsze, bezpośrednie podejście, które można zrealizować na standardowym systemie obrazowania dwufotonowego z dwoma kanałami fluorescencji. Nasze podejście wykorzystuje wewnętrzny sygnał tkankowy5 i wymaga jedynie kontrastowej wizualizacji mikrokrążenia korowego. Ze względu na nieliniowy, w zasadzie binarny wzrost fluorescencji NADH przy funkcjonalnie ograniczonych stężeniach tlenu1, zwiększona wewnętrzna fluorescencja NADH jest obserwowana wyłącznie w obszarach z istotną, metabolicznie ograniczającą hipoksją. Ważną konsekwencją jest to, że granice tkankowe dyfuzji tlenu z korowych mikronaczyń są bezpośrednio obserwowalne jako cylindryczne zmiany intensywności endogennej fluorescencji NADH. Struktury te nazywamy cylindrami Krogha, ponieważ koncepcja cylindrycznych struktur definiujących utlenowaną objętość tkanki otaczającej naczynie krwionośne została wprowadzona przez Augusta Krogha i była niedawno obserwowana eksperymentalnie przy użyciu dwufotonowego obrazowania NADH1. Obrazy cylindrów Krogha można gromadzić w 3D, wykonując stos obrazów wzdłuż osi z (z-stack). Są one szczególnie wyraźne w sąsiedztwie naczyń doprowadzających (arteriol) penetrujących i pokrywają się z pozarteriolarne cylindrami tkanki pozbawionej kapilar1,4.
Aby zapewnić obiektywne wyznaczenie promienia cylindra tkankowego Krogha R (patrz sekcja 5.2), zmierzyliśmy radialne wartości intensywności pikseli w obrębie ściśle określonego segmentu między centrum cylindra a jego zewnętrzną granicą, wykorzystując funkcję „improfile” w programie Matlab. Zewnętrzną granicę segmentu należy dobrać tak, aby wykraczała poza widoczną granicę z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa. W celu poprawy stosunku sygnału do szumu uśredniliśmy wartości wszystkich linii radialnych niezbędnych do pokrycia widocznego segmentu cylindra w odstępach 1°. Wynikowy średni profil intensywności radialnej w obrębie segmentu wykazał gwałtowny wzrost, który odpowiadał widocznej granicy tkanki R. Następnie do uśrednionego radialnego profilu intensywności dopasowaliśmy funkcję sigmoidalną (np. funkcję Boltzmanna), a jej punkt przegięcia (znany również jako x0) przyjęliśmy jako definicję R. Odpowiadająca temu mikroangiografia dwufotonowa (Texas-red) ujawniła przekrój pojedynczego, centralnego naczynia krwionośnego w centrum cylindra. Średnicę centralnego naczynia krwionośnego można bezpośrednio wykorzystać do wyznaczenia r.
Obrazowanie NADH metodą dwufotonową zapewnia taką samą rozdzielczość przestrzenną, jak jednoczesne obrazowanie mikroangiografii korowej w wysokiej rozdzielczości. Ważną cechą dla ilościowego zastosowania tej metody jest fakt, że p50 wzrostu fluorescencji NADH wynosi 3,4 ± 0,6 mm Hg 1, a intensywność fluorescencji NADH jako funkcja mikroregionalnego pO2 tkanki może być opisana matematycznie za pomocą funkcji sigmoidalnej. Wykazujemy, że technika ta pozwala zidentyfikować obszary mózgu najbardziej podatne na hipoksję (poprzez obniżenie zawartości tlenu w powietrzu do 10 %). Wykazujemy również, że dyfuzja tlenu przebiega zgodnie z prostym geometrycznym wzorcem okołonaczyniowym.
Kluczowym etapem tej metody jest jakość przygotowania okna czaszkowego. Operacja powinna spowodować minimalne uszkodzenia, aby nie zakłócić przepływu krwi w odsłoniętym obszarze. Istnieje obawa, że w przypadku przygotowania obciążonego chirurgicznie, kora pod oknem może być początkowo niedotleniona, co uniemożliwi przeprowadzenie jakichkolwiek znaczących eksperymentów. Prawidłowo przygotowane okno czaszkowe powinno charakteryzować się nienaruszonymi dużymi i małymi naczyniami krwionośnymi z wyraźnym przepływem krwi we wszystkich typach naczyń oraz brakiem istotnych krwawień wzdłuż krawędzi. W warunkach normoksji (PaO2 80-100 mmHg, Sp O2 97-99%) miąższ mózgu powinien wykazywać jednorodną fluorescencję NADH bez widocznych, jasnych obszarów tkanki o podwyższonej fluorescencji NADH.
Fundamentalnym ograniczeniem fizycznym naszego podejścia jest ograniczona głębokość penetracji. Niebiesko-zielona fluorescencja NADH w mózgu jest szybko tłumiona przez absorpcję hemoglobiny i rozpraszanie tkankowe przy tych długościach fal. Nawet przy zastosowaniu obiektywów imersyjnych w wodzie o wysokiej aperturze numerycznej (np. 1,05), obrazowanie NADH metodą dwufotonową jest obecnie ograniczone do warstw I i II kory. Ograniczenie to jest istotne naukowo, ponieważ metabolizm energetyczny w istocie białej lub w jej sąsiedztwie prawdopodobnie różni się od metabolizmu w istocie szarej. Jednak badanie głębokich struktur korowych, takich jak warstwy IV-VI, lub struktur podkorowych, takich jak drogi istoty białej czy prążkowie, wymagałoby zastosowania specjalistycznych mikrosoczewek, zgodnie z opisem dla kory mysiej in vivo6.
Pomiar granic dyfuzji tlenu oparty na NADH może być szczególnie użyteczny w połączeniu z innymi pomiarami, takimi jak analizy hiperemii funkcjonalnej oraz detekcja szybkości przepływu w naczyniach włosowatych7. Na przykład technikę tę można dostosować do wizualizacji hipoksji w modelach udaru oraz choroby Alzheimera (AD). Prosta geometria dyfuzji tlenu pozwala na przewidzenie gradientu tlenowego w łożyskach mikronaczyniowych w sytuacjach, gdy gęstość naczyń włosowatych jest zmniejszona8 (np. w AD9), oraz na zbadanie, czy obszary tkanki mózgowej o zmniejszonej gęstości naczyń włosowatych są bardziej narażone na uszkodzenia hipoksyczne wynikające z mikroudarów. Możliwość obrazowania w skali mikroregionalnej pozwala również na zbadanie geometrii i wielkości mikroudarów tkankowych oraz określenie objętości tkanki, w której występuje hipoksja, a także zależności między hipoksją tkankową a późniejszą śmiercią neuronów lub przebudową naczyń włosowatych10.
Wreszcie, ponieważ wzrosty fluorescencji endogennego NADH są bezpośrednim następstwem ostrej dysfunkcji mitochondriów, metoda ta stwarza możliwość wykorzystania obrazowania NADH jako specyficznego wskaźnika metabolicznego energetycznego neuronów11 oraz miernika dysfunkcji mitochondriów.
Podsumowując, obrazowanie dwufotonowe endogennej fluorescencji NADH jest prostym i niedemandującym narzędziem, które może być wykorzystane do zrozumienia dostarczania i zużycia tlenu w mózgu zarówno w stanach prawidłowych, jak i patologicznych.