Brain damage resulting from cerebral ischemia may be non-invasively imaged and studied in rats using pre-clinical positron emission tomography coupled with the injectable radioactive probe, 18F-fluorodeoxyglucose. Further, the use of modern software tools that include volume of interest (VOI) brain templates dramatically increase the quantitative information gleaned from these studies.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
This study was supported by a grant from Bruker Molecular Imaging (to WML) and from the NIH (Grant HL019982 to FJC).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Albira PET SPECT CT | Bruker | 3D molecular imaging equipment | |
Sprague Dawley Rats | Charles River Laboratories | 400 | Animal Subjects |
18-F-D-Glucose | Spectron | PET compound | |
micro clamp | FST | artery clamp | |
occluder #4037 | Doccol Corp. | surgical stroke induction |