Неинвазивная изображений и анализ церебральной ишемии в живых крысах с использованием позитронно-эмиссионной томографии с<sup&gt; 18</sup&gt; F-ФДГ

Rashna D. Balsara; Sarah E. Chapman; Ian M. Sander; Deborah L. Donahue; Lucas Liepert; Francis J. Castellino; W. Matthew Leevy

doi:10.3791/51495

Методическая статья

Неинвазивная изображений и анализ церебральной ишемии в живых крысах с использованием позитронно-эмиссионной томографии с

16.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51495

⸱

28 декабря 2014 г.

Rashna D. Balsara¹^,² , Sarah E. Chapman³ , Ian M. Sander⁴ , Deborah L. Donahue¹ , Lucas Liepert⁴ , Francis J. Castellino¹^,² , W. Matthew Leevy³^,⁴^,⁵

¹W. M. Keck Center for Transgene Research, University of Notre Dame, ²Department of Chemistry and Biochemistry, University of Notre Dame, ³Notre Dame Integrated Imaging Facility, University of Notre Dame, ⁴Department of Biological Sciences, University of Notre Dame, ⁵Harper Cancer Research Institute, University of Notre Dame

В этой статье

Краткое содержание

Повреждение мозга в результате ишемии головного мозга может быть неинвазивно визуализировано и изучено на крысах с использованием доклинической позитронно-эмиссионной томографии в сочетании с инъекционным радиоактивным зондом, 18-F-фтордезоксиглюкозой. Кроме того, использование современных программных инструментов, которые включают в себя шаблоны мозга с объемом интереса (VOI), значительно увеличивает количественную информацию, полученную в результате этих исследований.

Аннотация

Инсульт является третьей ведущей причиной смерти среди американцев в возрасте 65 лет и старше ^1. Качество жизни пациентов, которые страдают от инсульта не удается вернуть в нормальное подавляющего большинства пациентов ^2, который является в основном за счет отсутствия в настоящее время клинического лечения острого инсульта. Это требует понимания физиологических эффектов ишемии головного мозга на ткани головного мозга с течением времени и основной областью активных исследований. С этой целью экспериментальной прогресс был достигнут с использованием крыс в качестве доклинической модели инсульта, в частности, с использованием неинвазивных методов, таких как ^F-18 фтордезоксиглюкозы (ФДГ) в сочетании с позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) ^3,10,17. Здесь мы представляем стратегию для индукции ишемии головного мозга у крыс окклюзии средней мозговой артерии (MCAO), который имитирует очаговой ишемии головного мозга у людей, и отображения его последствий в течение 24 ч с использованием ФДГ-ПЭТ в сочетании с рентгеновской компьютерной томографии (КТ) с Albira PET-CT инструмент. Шаблон атлас VOI был впоследствии сливаются с церебральными данных крыс, чтобы дать возможность непредвзятого анализа головного мозга и его субрегионов ^4. Кроме того, способ 3D визуализации временного хода ФДГ-ПЭТ-КТ представлена. Таким образом, мы представляем подробный протокол для начала, количественной и визуализации индуцированного событие ишемического инсульта у живого Sprague-Dawley крыс в трех измерениях с использованием ФДГ-ПЭТ.

Введение

Инсульт является одной из ведущих причин смерти в развитых странах, и несет прямую ответственность за смерть 1 из 19 американцев ^1. Было подсчитано, что около 795000 американцев испытывают инсульт каждый год, из которых 87% из них в природе ишемической ^5. Во время ишемии, непрерывная подача кислорода и глюкозы в кортикальных нейронов сильно поражены индуцировать гипоксической среды, что приводит к снижению клеточной функции в пораженных областях мозга. В зависимости от тяжести инсульта, мозгового кровотока и поглощение глюкозы изменяется во времени и пространстве.

Повреждения, вызванные инсультом могут быть определены через неинвазивных методов, таких как ¹⁸ F-Фтордезоксиглюкозой (ФДГ) Позитронно-эмиссионная томография ^6. ФДГ является аналогом глюкозы, где гидроксильную группу в положении 2 'был заменен позитрона излучающей ¹⁸ F изотоп. ¹⁸ Р Advantageous из-за его длинного, 110 минут полураспада, что позволяет использовать его для обнаружения потребление глюкозы в головном мозге. ФДГ ПЭТ производит количественный высокого разрешения карты потребления дезоксиглюкозы в головном мозге ^{7, 18} F имеет тенденцию к накоплению в регионах с высоким потреблением глюкозы, указывая, что такие ткани обладают высокой метаболически активными ^{8. 18} F ядро испытывает бета-распад, выпустив позитрон, который быстро аннулирует с соседним электроном, производя гамма-лучи, которые, обнаруженные прибором. ФДГ ПЭТ может быть повторен в той же особи, по крайней мере, 10 ¹⁸ F полураспада, или около 18 часов, между сканирования, обеспечивая тем самым путь к изучению изменения активности мозга с течением времени в одной и той же личности.

Доклинические модели на животных, такие как крысы, часто используются для оценки последствий инсультов и эффективность лечения инсульта. Поскольку ФДГ ПЭТ является неинвазивным, он может быть использован для измеренияпоследствия инсульта в течение долгого времени без нарушения физиологии животного. В зависимости от места проведения мероприятия инсульта, различные участки мозга могут быть затронуты. Тем не менее, с мелких животных, таких как крысы, вручную определения и количественного деятельность в конкретных регионах головного мозга крысы может быть сложной задачей. Для сравнения глюкозы метаболической активности в конкретных регионах головного мозга крыс в течение долгого времени, объемы интерес (ВОИ), чтобы быть количественно должен быть последовательно определены. Точная атлас мозга крысы была разработана, чтобы решить эту проблему ^9, и был преобразован в цифровой форме для использования в количественной доклинических данных ФДГ-ПЭТ. Здесь мы представляем метод классификации хода повреждение тканей в последовательной, методической моды. Метод детали хирургической процедуры для начала ишемии головного мозга на животных моделях, количественной конкретные мозга суб-регионам, пострадавшим от инсульта, и производить трехмерную визуализацию размеры и местоположение инсультаповреждение тканей с использованием соответствующих методов и инструментов. Использование методики, описанной в данном исследовании, исследователи могут последовательно инициировать церебральной ишемии у крыс, проводят ПЭТ и количественной оценки изменений в поглощении ФДГ с использованием определенных регионах мозга в доклинических моделях инсульта в течение долгого времени.

Протокол

Обращения с животными и все эксперименты с ними были строго выполнены в соответствии с протоколами, которые были одобрены уходу и использованию комитета Институциональная животных из Университета Нотр-Дам (номер протокола 14-086) по.

1. Животные

Животные и инсульта начало: использовать мужские Sprague Dawley крыс весом от 220 до 270 г для всех исследований инсульта.
Обезболить крыс с 2,5% изофлуораном (2 л / мин 100% O ₂₎ с использованием носового конуса.
Место животное в спинной лежачее положение на грелку. Лента вниз передних ног.
Бритье ventralsurface шеи. Приготовительный бритая зона с 70% этанола, а затем 10% -ным раствором провидон йода.
Стерильные инструменты используются для этой процедуры; Перчатки заменены после препаративной животного. Используются стерильные технологии чаевые.
С помощью ножниц, сделать 2-2,5 см разрез параллельно трахеи, 0,5 см в правой части трахеи. Использование тупой dissectioп найти сонную артерию.
Используйте преднатяжителями, чтобы помочь себе судно. Поставьте микро зажим на общей сонной артерии (ОСА).
Найдите первый точке ветвления, который будет наружной сонной артерии (ЭКА) и внутренней сонной артерии (ВСА). Cauterize мелких ветвей, прикрепленных к ЭКА, такие как затылочной артерии.
Перевязывать ЭКА возле филиала в щитовидной артерии с 4-0 шелковой нити. Швы должны иметь дополнительную длину, чтобы позволить кровоостанавливающих провести шов.
Прижечь над швом (краниально) ЭКА. Для зажима шовного материала с кровоостанавливающих, потяните ЭКА каудально и это будет параллельно с ОСО.
Найдите ICA и использовать другой микро зажим закрывают эту артерию.
Сделайте небольшое отверстие в ЭКА, используя небольшие весенние ножницы. Вставьте окклюдер в ЭКА и завязать шов вокруг окклюдером, чтобы предотвратить приток крови.
Удалить микро зажим на ВСА и продвигать окклюдер до ощущается сопротивление,
ПРИМЕЧАНИЕ Убедитесь, окклюдер достижения в ВСА и не pterygopalatin артерии. Окклюдер должны продвигаться плавно и белый кончик не следует рассматривать, если окклюдер установлена правильно.
Удалить микро зажим с ОСО. Вырезать любую лишнюю окклюдер или шов.
Поместите 9 мм клипы авто, чтобы закрыть разрез кожи.
Удалить животное от наркоза и позволяют животному пробудить. Через 2 ч:
1. Обезболить крысу изофлураном.
2. Удалить рану клипы.
3. Найдите конец окклюдера и удалить его из средней мозговой артерии, осторожно потянув за него, пока белый кончик окклюдера не приходит в контакт с швами. Не тяните все это выход, это вызовет кровотечение.
4. Замените раны клипы разреза.
5. Удалить животное от наркоза и позволяют животному пробудить.

2. Image Acquisition

Выполните три ПЭТ и КТ сбанки для каждой крысы. Возьмите заранее сканирования 1-2 дня до индукции инсульта, чтобы обеспечить основу для ¹⁸ F-ФДГ поглощения. Сканирование каждой крысы 1,5 ч после инсульта, до реперфузии выполняется (изображение с окклюдера еще в животном). Сканирование каждой крысы 26 ч после инсульта (24 ч после реперфузии) для количественной оценки повреждения головного мозга ткани из-за травмы хода.
ПРИМЕЧАНИЕ: упоминается в остальной части рукописи момент времени 24 часа в сутки относится ко времени после реперфузии, когда были отсканированы крысы.

Анестезировать крыс при 2,5% изофлуораном газа в анестезии камеры.
Вводите примерно 500 мкКи ¹⁸ F-дезоксиглюкозы (ФДГ) (200 мкл общего объема) в хвостовую вену крысы.
Подождите 1 час.
Поместите под наркозом крыса на стандартный крыс кровати, под носом у конуса изофлуораном анестезии. Измерьте расстояние в мм между носом крысы и края крыс постели горизонтальное смещение.

3. Получение изображения

Открыть Albira Люкс софtware.
Выберите приобретателя.
Имя нового исследования.
Под ПЭТ или ОФЭКТ нажмите кнопку Добавить> Выбрать протокол ПЭТ. Нажмите кнопку Добавить.
Под контролем КТ кнопку Добавить> Выбрать протокол CT. Нажмите кнопку Добавить.
Щелкните по номеру при начальных горизонтальном положении под ПЭТ. Установить количество для измеренного расстояния в мм между носом и крысы перед крыс кровати. Повторите эти действия для КТ.
Устанавливается в зависимости от Крысы и введите вес в граммах.
Установите соединение ФДГ.
Установите Время впрыска и литья Дата и дозы.
Нажмите кнопку Пуск исследования.
ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения ПЭТ КТ, данные будут сохранены автоматически.
Откройте Albira Reconstructor.
ЧанGE ожидании навечно 10 или Все.
Выберите Сканировать имя файла.
Нажмите кнопку Добавить.
Нажмите кнопку Пуск реконструкции. ПРИМЕЧАНИЕ: Файл будет сохранен в формате MicroPET.

Анализ 4. Изображение

Выполнить анализ изображения с помощью программного обеспечения для анализа PMOD в сочетании с В. Шиффер мозга Атлас.
1. Открыть PMOD> Fusion.
2. Перейдите на вкладку Корегистрация предварительной обработки в верхней части экрана.
3. Откройте выпадающее меню Load Reference в центре экрана и выберите NifTI. Перейдите к C: //PMOD3.2/resources/templates/usertemplates. Выберите Rat (W.Schiffer) -FDG.nii и нажмите кнопку Открыть.
4. Откройте выпадающее меню Load Input в правой части экрана и выберите MicroPET. Перейдите к нужномуMicroPET файл. Выделите ее и нажмите Открыть.
5. Перейдите на вкладку Manual Корегистрация в верхней части экрана.
6. Выберите вкладку четвертое место в средней группе вкладок справа (Reslicing).
  ПРИМЕЧАНИЕ: Две кнопки появятся на MicroPET сканирования.
7. Используйте открытый белый прямоугольник, чтобы повернуть MicroPET сканирования и заполненную белый прямоугольник, чтобы переместить MicroPET сканирования. Совместите два скана. Для этого найдите достопримечательностей, как harderian желез, а также верхней и задней мозговых функций, которые могут быть использованы в соответствии с MicroPET сканирование с моделью мозга. Затем настройте MicroPET сканирование, пока она не совпадает с атласом головного мозга (В. Шиффер).
  Примечание: Например, harderian железы ярче на обеих MicroPET сканирования и атласа мозга (В. Шиффер), и могут быть использованы в качестве основы для выравнивания.
8. При необходимости, поверните MicroPET сканирования 180 ° во фронтальной зрения и значительно повысить сканирование в гое сагиттальной вид, наряду с другими незначительными изменениями ориентации.
9. Перейдите на вкладку Full Fusion экрана (Войс) в верхней части экрана.
10. Выберите Source A в правом верхнем углу экрана.
11. Перейдите к Шаблон> Атлас в нижней части страницы.
12. Выберите крысы (W. Шиффер) из выпадающего меню.
  Примечание: (необязательно) Вернуться на вкладке Manual Корегистрация где атлас должна появиться накладывается на атласе мозга (В. Шиффер). Атлас может быть использован, чтобы помочь выровнять MicroPET осмотр, а также атлас мозга (В. Шиффер). После выравнивания, вернитесь на вкладку Full Fusion экрана (Войс). Шаблон появится на мозг указанием того, какие отделы головного мозга, будут оцениваться для VIO статистики.
13. Выберите Source B в правом верхнем углу экрана.
14. Нажмите кнопку ВОИ статистики на верхней Рогт экрана.
  ПРИМЕЧАНИЕ: таблица появится.
15. Выберите Сохранить.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Пишите так, как [ВОИ статистики] окно.
16. Выберите Сохранить, чтобы файловую систему.
  ПРИМЕЧАНИЕ: PMOD (Сохранить): выберите окно компоненты появится.
17. В поле Имя файла введите имя требуемого файла.
18. Выберите Сохранить.
Выполнить анализ данных с помощью Microsoft Office Excel 2010.
1. Откройте Excel.
2. Выберите Файл> Открыть.
3. Изменить тип файла из всех файлов Excel, чтобы все файлы.
4. Перейдите к сохраненным VIOSTAT файлов. Выберите нужный файл.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Мастер импорта появится.
5. Выберите Готово. При использовании Mac, дважды щелкните на файле VOISTAT и он будет напрямую открывать в виде файла Excel.
6. Выберите столбец, содержащий поля VoiName (REgion). Скопировать информацию и вставить его в новый файл Excel.
7. Выберите столбец, содержащий поля Осредненные и [1/1]. Скопировать информацию и вставить его в новый файл Excel.
8. Повторите эту процедуру для всех файлов VOISTAT.
9. Начните новую вкладку для каждого набора данных.
10. Вернуться к первой вкладке. Выберите новую ячейку. Рассчитать отношение правой стороне участка мозга на левой стороне секции мозга путем деления значения в правой части головного мозга левой стороне мозга. Секция мозга, принадлежащих к правой стороне мозга указана перед секцией, принадлежащей к левой стороне мозга. Повторите эту процедуру для всех срезах головного мозга.
11. Выберите новую ячейку. Используйте функцию усреднения для расчета средней каждого из рассчитанных ранее соотношений всех мышей.
12. Выберите новую ячейку. Рассчитать SEM каждого раздела мозга с помощью функции СТАНДОТКЛОН и деления Iт на квадратный корень от числа мышей.
13. Повторите эту процедуру для каждого набора данных.

5. Изображение Визуализация

Преобразование изображения в анализировать файл формата с помощью программного обеспечения PMOD анализа.
1. Открыть PMOD> Просмотр.
2. Перейдите на вкладку Вид в верхней части экрана.
3. Откройте выпадающее меню Load в правой части экрана и выберите MicroPET. Перейдите к нужному MicroPET или КТ файла. Выделите ее и нажмите Открыть.
4. Откройте выпадающее меню Сохранить в правой части экрана и выберите анализировать. Перейдите к нужному пункту назначения. Введите желаемое имя в поле Имя файла. Выберите Сохранить.
Создать последовательности изображений, используя программное обеспечение обработки изображений VolView.
1. Открыть VolView.
2. Выберите Открыть файл в левой части экрана.
3. Переход к анализу версии файла данных КТ в течение требуемого сканирования. Выделите ее и нажмите Открыть.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Запустите Мастер файла появится.
4. Используйте настройки по умолчанию, нажав Далее в появившемся окне.
5. Выберите вкладку Плагины в левой части экрана.
6. Откройте Plugin раскрывающемся меню и выберите утилиту> Merge томов.
7. Снимите Rescale Компоненты.
8. Выберите Назначить второй вход.
9. Переход к анализу версии файла данных MicroPET для одной и той же сканирования. Выделите ее и нажмите Открыть.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Запустите Мастер файла появится.
10. Используйте настройки по умолчанию, нажав Далее на каждом экране.
  ПРИМЕЧАНИЕ: сканирование MicroPET появится накладывается на КТ.
11. Выберите цветовую настройку / Непрозрачностьв левой части экрана с табл.
12. Откройте выпадающее меню компонентов в правом нижнем углу экрана. Выберите +1.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет гарантировать, что КТ-сканирование изображений только влияет по следующим направлениям.
13. В разделе Скалярные сопоставления цветов, выберите среднюю точку. Удалите его, перетащив его из области ползунка.
14. Выберите левую точку.
  ПРИМЕЧАНИЕ: окно Color Picker появится.
15. Изменение цвета точки до черного.
16. Выберите правильную точку.
  ПРИМЕЧАНИЕ: окно Color Picker появится.
17. Изменение цвета точки на белый.
18. В разделе Скалярные Непрозрачность карт, добавить точку, нажав в любом месте блока.
19. Отрегулируйте раздел пока изображение CT только не появится скелет крысы.
20. Установите флажок Включить заливка.
21. Выберите RВкладка EView в левой части экрана.
22. Изменить количество кадров до 72.
23. Изменить вращение X 360.
24. Выберите Создать.
25. Перейдите к нужному пункту назначения. Создайте новую папку для хранения изображений щелкнув правой кнопкой мыши на пустом пространстве и выбрав New> Folder.
26. Введите желаемое имя в поле Имя файла. Выберите Сохранить.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно Размер кадра появится.
27. Выберите OK.
28. Volview будет генерировать изображения. Когда она будет закончена, появится окно с указанием "Ваш фильм был успешно создан!" Выберите OK.
29. Вернуться на вкладку Настройки Цвет / непрозрачность.
30. В рамках компонента Вес (ы), переместите ползунок для компонента 1, так что имеет VALUе 0.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Только появится MicroPET сканирования.
31. Повторите шаги 5.2.21-28 создать вторую последовательность изображений.
32. Вернуться на вкладку Настройки Цвет / непрозрачность.
33. В рамках компонента Вес (ов), отрегулируйте ползунок для компонента 2, так что имеет значение 0.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Только появится КТ.
34. Повторите шаги 5.2.21-28, чтобы создать третью последовательность изображений.
Создать вращения фильмов (показанные на видео), используя программное обеспечение ImageJ.
1. Открыть ImageJ.
2. Выберите Файл> Импорт> последовательности изображений.
3. Перейдите к файлу, содержащему изображения, которые только просматривать данные ТТ для предварительной проверки. Выберите первое изображение и нажмите Выбрать.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно Параметры последовательности появится.
4. Выберите OK.
5. Выберите Файл и# 62; Импорт> последовательности изображений.
6. Перейдите к файлу, содержащему изображения, которые только просматривать данные MicroPET для предварительной проверки. Выберите первое изображение и нажмите Выбрать.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно Параметры последовательности появится.
7. Выберите OK.
8. Выберите Файл> Импорт> последовательности изображений.
9. Перейдите к файлу, содержащему изображения, которые рассматривают как данные КТ и MicroPET для предварительной проверки. Выберите первое изображение и нажмите Выбрать.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно Параметры последовательности появится.
10. Выберите OK.
11. Выбрать Изображение> Стеки> Инструменты> комбината.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно комбинатор появится.
12. Выберите в раскрывающемся меню stack1. Выберите стек, содержащий данные КТ.
13. Выберите в раскрывающемся меню stack2. Выберите стек, содержащий МиДанные croPET. Выберите OK.
  ПРИМЕЧАНИЕ: новый стек с обеих сканирования появится.
14. Выбрать Изображение> Стеки> Инструменты> комбината.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно комбинатор появится.
15. Выберите в раскрывающемся меню stack1. Выберите стек, который содержит объединенные стеки.
16. Выберите в раскрывающемся меню stack2. Выберите стек, который содержит как данные КТ и данные MicroPET. Выберите OK.
  ПРИМЕЧАНИЕ: новый стек со всеми тремя сканирования появится.
17. Держите в сочетании стеки открытым. Повторите шаги 5.3.2-16 на пост сканирования 1,5 ч и 24 ч после проверки стеков изображений.
18. Выбрать Изображение> Стеки> Инструменты> комбината.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно комбинатор появится.
19. Выберите в раскрывающемся меню stack1. Выберите стек, содержащий все предварительно данные сканирования.
20. Выберите stack2 в раскрывающемся меню. Выберите стек, который содержит всю помещает данные о 1,5 ч сканирования.
21. Проверьте комбинат Вертикально.
22. Выберите OK.
  ПРИМЕЧАНИЕ: новый стек как с предварительной проверки и последующей проверки 1,5 ч появится.
23. Выбрать Изображение> Стеки> Инструменты> комбината.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Окно комбинатор появится.
24. Выберите в раскрывающемся меню stack1. Выберите стек, который содержит объединенные стеки.
25. Выберите в раскрывающемся меню stack2. Выберите стек, содержащий все данные сканирования 24 ч после.
26. Проверьте комбинат Вертикально.
27. Выберите OK.
  ПРИМЕЧАНИЕ: новый стек со всеми девятью сканирования появится.
28. Выберите Файл> Сохранить как> AVI.
29. Выберите OK.
30. Перейдите к нужному пункту назначения. Введите желаемое имя в имени файла Поле. Выберите Сохранить.

Результаты

Церебральной ишемии был инициирован в живых крыс Sprague-Dawley с помощью окклюзии средней мозговой артерии, с последующим ядерного изображений выполняется для обнаружения его последствий. Живых крыс были обследованы 24 ч перед такта впуска, а также 1,5 ч и 24 ч после ишемии, каждый с независимыми инъекции приблизительно 500 мкКи ¹⁸ F-ФДГ, которые полностью распадается в течение 18 часов. Три детектора кольцо Albira система, используемая для этих исследований имеет чувствительность 9%, составив 500 мкКи разумная доза для крыс. Представительства данные отображения для ПЭТ и рентгеновских КТ показаны для крыс на 24 ч до и 24 ч моменты времени после реперфузии на рисунке 1, верхней и нижней строк соответственно. Поперечные (панели и Е), сагиттальной (панели B и F), и корональной (панели C и G) ломтики для каждого сканирования представлены данные ФДГ-ПЭТ цветных в & #8220; радуги "шкала интенсивности и накладывается на КТ в оттенках серого. Следует отметить, что КТ был использован для анатомической совместного регистрации данных ПЭТ внутри черепа животных, и никаких изменений радиоплотности в ткани мозга не было отмечено при этих экспериментах. В 24 ч было резкое снижение потребления глюкозы в ипсилатеральном полушарии, предполагая, широкое повреждение тканей из-за вынужденного ишемического инсульта. 3D-рендеринг данных наложения представлена на рисунке 1D и H. При повороте на экране, эти оказываемые данные обеспечивают повышенную визуализацию снижения инсульта, вызванного в поглощении ФДГ.

Для того, чтобы количественно определить изменения в коре головного поглощения глюкозы в результате инсульта в пространственно-временной образом, мозг атлас ВОИ был применен к Предынсультное базовой, 1,5 ч и 24 ч (пост-реперфузии) для каждого сканирования. Это было достигнуто с помощью программного пакета PMOD в сочетании с W. Шиффер шаблон головного мозга крысы и Atlaс. Во-первых, PMOD использовали для трансформации каждого из множеств ПЭТ данных головного мозга крыс в соответствующем месте и геометрии через ручной сотрудничества регистрацию с использованием перемещать и вращать инструменты на вкладке Reslicing. Следует отметить, что масштаб средство также можно регулировать общий размер мозга, если это необходимо. В то время как использование атласа Шиффер превосходит вручную рисунок VOIS в пространстве мозга, могут быть экспериментальные ошибки, индуцированной из неточной синтеза мозга. Таким образом, в некоторых случаях увеличение числа животных могут быть необходимы для достижения статистической значимости. Далее, атлас мозга В. Шиффер VOI был автоматически применяется для измерения накопления ФДГ, в условных единицах поглощения в рамках определенных субрегионов мозга крыс (рис 2). Атлас мозга VOI также могут быть использованы в итеративном режиме со стандартной моделью мозга для дальнейшей оптимизации ручного синтеза экспериментальных данных. Как событие Сток был изолирован в правом полушарии головного мозга у каждого животного, повреждения тО каждом регионе количественно путем расчета соотношение поглощение глюкозы деятельности между контралатеральных регионах (рисунок 2). Использование этих отношений обеспечивает удобный нормализацию отношений между правой и левой полушарии, и удаляет изменчивость, которые могут возникнуть при сопоставлении значений интенсивности сигнала ПЭТ разных сканов. В 1,5 ч после инсульта, ¹⁸ F-ФДГ поглощений не были затронуты в зоне ишемии. Таким образом, никаких количественных изменений не наблюдалось в поглощение глюкозы между контралатеральных и ипсилатеральных полушарий (рис 3, Синие и зеленые полоски). Это может быть связано с гипер-поглощения глюкозы по пери-ишемической области или увеличение метаболизма глюкозы в этот момент времени, чтобы компенсировать потерю сотовой ATP ^10,11. Тем не менее, значительное снижение потребления глюкозы в конкретных регионах ипсилатеральном полушарии наблюдалось по нескольким животных (N = 5) на 24 ч после реперфузии (рис 3, красными полосами). OthРегионы э мозга проявил мало или никакое повреждение в ипсилатеральном полушарии.

В частности, регионы ипсилатеральном полушарии, которые постоянно выставлены пониженные поглощений ФДГ были: миндалина, хвостатые скорлупа, слуховые, энторинальной, островной доли, паракортикальная, и соматосенсорной области коры головного мозга. Кортикальные поражения, вызванные в результате инсульта связаны с потерей нервных связей и измененных функциональных карт. Структурные нарушения в миндалине в результате инсульта приводят к психопатологии и когнитивной дисфункции ^12. Это не удивительно, что область хвостатых-скорлупа была затронута на поглощение ФДГ, как церебральный кровоток в боковой части этого региона поставляется закупоренной средней мозговой артерии ^13. Патология в этой области грызунов мозга приводит к нарушению дискриминирует обучения, когнитивных процессов, и немоторных функций ^14. Неспособность принять до ФДГ наблюдалось также в энторинальной коры апd слуховая кора в медиальной височной доле ишемической полушарии. В 2001 году Дэвис и др. Сообщается, что энторинальной повреждение мозга у крыс приводит к нарушению сенсорной интеграции и настойчивый пространственное обучение deificits ^15. Слуховые дисфункция, как известно, происходят при инсульте у человека, хотя нечасто ^16. Тем не менее, поглощение ФДГ в нижней бугорок, что является одним из основных слуховых путей не был затронут инсульта в нашей модели. Было показано, что MCAO-индуцированные крысы инсульта увеличить адреналин, норадреналин и активности симпатической нервной из-за инфаркта в островной коры, в одном из регионов в нашей модели, которые показали плохую поглощение ФДГ ^17. Это может привести к изменениям в вегетативной функции, влияющие на сердечную систему. Бедные поглощение ФДГ наблюдался также в области соматосенсорной в лобно-теменной коры. Ишемическая инфаркта в этой области, как сообщается, вызвать структурные аномалии и потерю таламуса соединений18. Поглощение Limited ФДГ наблюдалось также в зрительной коре, что может привести к нарушению глазного доминирования пластичности, как сообщили в крыс новорожденных, подвергшихся гипоксическим ишемии ^19. Однако, снижение поглощения ФДГ не наблюдалось в двухолмия область, которая участвует в визуальном двигателя наведения ^20. Поглощение ФДГ в гиппокампе области также нарушена, область, которая играет важную роль в пространственной памяти и навигации. Было последовательно заметил, что суб-регионов мозга, такие как верхней и нижней бугорок, площадь вентральной покрышки (VTA), а также обонятельные луковицы переднего мозга и глубинного таламуса не были затронуты окклюзии средний сонной артерии (рисунок 3).

Взятые вместе, эти результаты показывают, что ФДГ-ПЭТ КТ обеспечивает жизнеспособную, воспроизводимый и неинвазивной стратегии работы с изображениями для мониторинга церебральной ишемии у крыс в продольном моды.

Рисунок 1:. ПЭТ-КТ Данные крыс до и после ишемии головного мозга Каждая строка отображает соответствующие поперечные (A, E), сагиттальной (В, F), корональной (С, О), и 3D визуализации (д, Н) ПЭТ -ct данные крысы 24 ч до (верхний ряд) и 24 ч после реперфузии (или 26 ч после индукции ишемии головного мозга, а нижняя). Белые стрелки показывают расположение снизилась поглощения ФДГ из-за повреждения инсульта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: ПЭТ данные выровнены с мозгом атласа В. Шиффер крыс с использованием PMod В ФДГ-ПЭТ данные.крыса 24 ч после реперфузии (или 26 ч после ишемии головного мозга; строке вверху) сливается с ВОИ шаблонов мозг атласа для анализа (нижний ряд). Цвета указывают на отдельный Войс шаблона мозг атласа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
. Рисунок 3: Представитель Количественный анализ поглощение глюкозы в головном мозге крыс в Разделе Отношения права на левое полушарие ФДГ ПЭТ сигнала в стандартной Uptake единиц от каждого региона W. Шиффер мозга крысы Атлас сообщалось сканирования, сделанных до ишемический инсульт (до; синий), 1,5 ч (зеленый) и 24 ч (красный) после реперфузии (или 26 ч после реперфузии). Столбики ошибок обозначают стандартное отклонение для событий хода N = 5 головного мозга крысы, в каждый момент времени. ** Р ≤ 0,01 * р≤ 0,05 (парный Т-тест). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4:. Иллюстрация MCAO хирургии красная линия окклюдера, который вставлен в наружную сонную артерию. Синий овал представляет собой область головного мозга.

Обсуждение

Здесь мы представляем детальную стратегию развития инсульта индукции, ПЭТ и стандартизированной мозга суб-региона измерения повреждения тканей Спрэг-Доли крыс. Изображений мелких животных моделях, особенно в области инсульта является полезным, так как для лечения инсульта, чтобы быть эффективным, зависит от очень короткого терапевтического времени. Здесь мы приводим модель травмы-реперфузии, в котором инсульт, индуцированного с помощью окклюзии в средней церебральной артерии и изображений проводится с использованием ФДГ ПЭТ, наряду с рентгеновской компьютерной томографии для анатомической ссылки. Регламентированный измерения поглощения ФДГ в пределах мозга суб-регионов стало возможным благодаря точной картографии шаблона атласа VOI на головном мозге крыс в программном обеспечении для анализа изображений ПМОД. Значения Логометрический ФДГ были собраны путем деления соответствующего головного мозга субрегионов в противоположных полушариях, что позволяет простой измерение повреждений при нормализации вариации в глобальном сигнала ФДГ ПЭТ между различными животными и времени рoints. Эти измерения в соответствии с ожидаемым эффектом удара на головном мозге крыс, демонстрируя последовательно, значительная потеря мозговой ткани поглощения глюкозы в некоторых регионах ипсилатерального полушария. Эта методика имеет потенциал, чтобы увеличить нашу способность сравнивать ФДГ ПЭТ наборов данных животных, перенесших различные типы травмы головного мозга, в том числе ишемического инсульта. Благодаря стандартизации объемы должны быть определены количественно по полушарий головного мозга и в самых разных животных, этот метод генерирует последовательные измерения выпадающих поглощения ткани глюкозы. Обратите внимание, что другие индикаторов ПЭТ с поглощением мозга, как ¹¹ C-раклоприда для D2-рецепторов, может быть использован с протоколом, а также ^21. Наконец, мы опишем метод для визуализации ишемического инсульта в мозге крыс в течение его скелета с высокой анатомической точностью в трех измерениях. С инсульт-индуцированного физиологические и функциональные нарушения могут быть временными или постоянными, это неинвазивный метод визуализацииИсследователи позволяет оценить повреждение головного мозга в то же животного в течение периода времени. Это дает возможность неврологических забить крыс, а также оценки краткосрочных и долгосрочных неврологического дефицита в том же животного. Шаблон функции программного обеспечения ПМОД позволяет исследователи с определенным количеством точности для отображения области травмы и, возможно, коррелируют с неврологических осложнений и поведенческих моделей.

Для точной количественной оценки ущерба инсульта головного мозга субрегионе, важным шагом является согласование данных ПЭТ с атласа мозга крыс в течение PMOD. Несоответствия в выравнивание может привести к неправильному количественного субрегионов мозга, пострадавших от ишемии. Как описано в шаге протокола 4.1.7, можно использовать harderian железы в виде ориентиров для выравнивания атлас мозга с экспериментальными данными ПЭТ. Эффекты частичного объема (ПВЕ) являются проблемой во время этого типа анализа, и будет ограничивать общее разрешение структуры мозга,может быть отображена. Сигнал перелива может происходить между соседними объемами, или сам ВОИ может быть слишком мал по отношению к разрешению прибора, тем самым уменьшая количественный точность метода ^22. Система Albira ПЭТ используется в этих исследованиях оснащен тремя детектора колец и дает разрешение 1,1 мм, который развился из соответствующих одной кольцевой системы, что достигается 1,5 мм ^23. Бюва и сотрудники отметить, что PVE повлияет измерения опухолей с диаметром менее 2-3 раза Разрешающая способность системы на полную ширину половины макс (FWHM), которая соответствовала бы сферическом объеме 5.6-18.9 мм ³ для 3- кольцо Albira. Casteels др. Недавно отметил, что в объеме более 8 мм ³ будет иметь минимальные частичные эффекты громкости для современных доклинических ПЭТ сканеров с разрешением в диапазоне 1,1-1,3 мм ^24. Атлас Шиффер была тщательно построена с этими параметрами в виду, и использует 58 Войс, из которых 13 упадет ниже 8 мм ³ порога. Они включают в себя Войс для правого и левого полушарий медиальной префронтальной коре (6,3 мм ^3, R / L), Par Cortex (7,6 мм ^3, R / L), двухолмия (7,1 мм ^3, R / L) , ВТА (5,5 мм ^3, R / L), уступает бугорок (5,7 мм ^3, R / L), гипофиза (5,9 мм ^3), а СВ кровоток (5,1 мм ^3). Кроме того, измерения лобной коры (1,4 мм ³ R / L) будет наиболее восприимчивы к PVE из-за его небольшого размера.

Исследования, проведенные в более крупных животных, как крысы, у которых есть соответствующее увеличение размера анатомии, будет иметь большее количество мозговых субрегионов, которые могут быть надежно количественно по сравнению с мышами. Тем не менее, эти методы применимы к визуализации головного мозга у мышей, у которых есть свой собственный атлас мозга, доступные в PMOD, который состоит из 18 субрегионов, которыеразмер свести к минимуму PvE. Кроме того, с помощью ПЭТ, чтобы определить еще меньшие участки мозга, чем те, которые описаны в данном исследовании может потребовать использования альтернативных методик. Метод, описанный здесь позволяет регламентированный и эффективный количественный анализ повреждения головного мозга ткани с течением времени Географическая мозга субрегиона, в живых крыс. Травмы из-за ишемии показано здесь в качестве примера, но методика представлена для количественной оценки изменений в активности головного мозга могут быть применены к любым другим условием, влияющих мозга крыс.

В заключение, ФДГ-ПЭТ-КТ данных мелких животных могут быть приобретены в неинвазивной и экономичным способом, и может быть удобно использовать для малого изображений животных в количественном моды. Использование шаблона инструмент Шиффер программы ПМОД, ишемические участки мозга могут быть выделены и данные ПЭТ измеряется. Это мощный инструмент для дальнейшего изучения мозга реорганизации, ремонту, нейрогенез после ишемии головного мозга, что будет способствовать developmeNT нервно-терапии пациентов с ограниченными физическими возможностями, перенесших инсульт. Эта визуализация и будет особенно полезно при оценке других случаев травмы головного мозга, где повреждение ткани может быть выровнен из отдельных методов визуализации.

Раскрытие информации

WML является консультантом компании Bruker Molecular Imaging

Благодарности

Это исследование было поддержано грантом от Bruker Molecular Imaging (для WML) и от NIH (грант HL019982 для FJC).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Albira PET SPECT CT	Bruker		3D оборудование для молекулярной визуализации
Sprague Dawley Rats	Charles River Laboratories	400	животных Субъекты
18-F-D-Glucose	Spectron		ПЭТ соединение
микрозажим	FST	18055-03	артериальный зажим
окклюдер #4037	Doccol Corp.	403712PK10	индукция хирургического инсульта

Ссылки

Minino, A. M., Murphy, S. L., Xu, J., Kochanek, K. D. Deaths: final data for 2008. Natl Vital Stat Rep. 59, 1-126 (2011).
Niemi, M. L., Laaksonen, R., Kotila, M., Waltimo, O. Quality of life 4 years after stroke. Stroke. 19, 1101-1107 (1988).
Ter-Pogossian, M. M., Phelps, M. E., Hoffman, E. J., Mullani, N. A. A positron-emission transaxial tomograph for nuclear imaging. 114, 89-98 (1975).
Schiffer, W. K., et al. Serial microPET measures of the metabolic reaction to a microdialysis probe implant. J Neurosci Methods. 155, 272-284 (2006).
Roger, V. L., et al. Heart disease and stroke statistics--2012 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 125, e2-e220 (2012).
Heiss, W. D., et al. Progressive derangement of periinfarct viable tissue in ischemic stroke. J Cereb Blood Flow Metab. 12, 193-203 (1992).
Foster, N. L., et al. Alzheimer's disease: focal cortical changes shown by positron emission tomography. Neurology. 33, 961-965 (1983).
Bustamante, E., Pedersen, P. L. High aerobic glycolysis of rat hepatoma cells in culture: role of mitochondrial hexokinase. Proc Natl Acad Sci U S A. 74, 3735-3739 (1977).
Toga, A. W., Santori, E. M., Hazani, R., Ambach, K. A 3D digital map of rat brain. Brain Res Bull. 38, 77-85 (1995).
Yuan, H., et al. Saptiotemporal uptake characteristics of [18]F-2-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose in a rat middle cerebral artery occlusion model. Stroke. 44, (2013).
Nemoto, E. M., Hossmann, K. A., Cooper, H. K. Post-ischemic hypermetabolism in cat brain. Stroke. 12 (5), 666-676 (1981).
Sachdev, P. S., Chen, X., Joscelyne, A., Wen, W., Brodaty, H. Amygdala in stroke/transient ischemic attack patients and its relationship to cognitive impairment and psychopathology: the Sydney stroke study. Am. J. Geriatr. Psychiatry. 15, 487-496 (2007).
Nagasawa, H., Kogure, K. Correlation between cerebral blood flow and histologic changes in a new rat model of middle cerebral artery occlusion. Stroke. 20, 1037-1043 (1989).
Hauber, W., Schmidt, W. J. Differential effects of lesions of the dorsomedial and dorsolateral caudate-putamen on reaction time performance in rats. Behavioral Brain Research. 60, 211-215 (1994).
Davis, A. E., Gimenez, A. M., Therrien, B. Effects of entorhinal cortex lesions on sensory integration and spatial learning. Nurs. Res. 50, 77-85 (2001).
Hausler, R., Levine, R. A. Auditory dysfunction in stroke. Acta Otolaryngol. 120, 689-703 (2000).
Cechetto, D. F., Wilson, J. X., Smith, K. E., Wolski, D., Silver, M. D., Hachinski, V. C. Autonomic and myocardial changes in middle cerebral artery occlusion: stroke models in the rat. Brain Res. 502, 5296-5305 (1989).
Carmichael, S. T., Wei, L., Rovainen, C. M., Woolsey, T. A. New patterns of intracortical projections after focal cortical strike. Neurobiol. of Disease. 8, 910-922 (2001).
Failor, S., et al. Neonatal cerebral hypoxia-ischemia impairs plasticity in rat visual cortex. J. Neurosci. 30, 81-92 (2010).
Wurtz, R. H., Albano, J. E. Visual-motor function of the primate superior colliculus. Ann. Rev. Neurosci. 3, 189-226 (1980).
Kuhn, F. P., et al. Comparison of PET template-based and MRI-based image processing in the quantitative analysis of C11-raclopride PET. EJNMMI Res. 4 (1), 7(2014).
Soret, M., Bacharach, S. L., Buvat, I. Partial-Volume Effect in PET Tumor Imaging. J. Nuc. Med. 48, 932-945 (2007).
Sanchez, F., et al. ALBIRA: A Small Animal PET/SPECT/CT Imaging System. Med. Phys. 40 (5), 051906(2013).
Casteels, C., et al. Construction and Evaluation of Quantitative Small-Animal PET Probabilistic Atlases for [18F]FDG and [18F]FECT Functional Mapping of the Mouse Brain. PLOS One. 8 (6), e65286(2013).