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.
Slagtilfælde er den tredje hyppigste dødsårsag blandt amerikanerne 65 år eller ældre 1. Livskvaliteten for patienter, der lider af et slagtilfælde ikke at vende tilbage til normal i et stort flertal af patienterne 2, hvilket hovedsagelig skyldes nuværende mangel på klinisk behandling af akut slagtilfælde. Dette nødvendiggør at forstå de fysiologiske virkninger af cerebral iskæmi på hjernevæv over tid og er et stort område af aktiv forskning. Til det formål er eksperimentel fremskridt er gjort ved hjælp af rotter som en præklinisk model for slagtilfælde, især ved hjælp af ikke-invasive metoder såsom 18 F-fluordeoxyglucose (FDG) kombineret med Positron Emission Tomography (PET) billeddannelse 3,10,17. Her præsenterer vi en strategi til at inducere cerebral iskæmi i rotter ved mellem-cerebral arterieokklusion (MCAO), som efterligner fokal cerebral iskæmi hos mennesker, og billeddannelse dens virkninger i løbet af 24 timer ved anvendelse af FDG-PET kombineret med røntgen computertomografi (CT) med en Albira PET-CT instrument. A VOI skabelon atlas blev efterfølgende fusioneret til cerebrale rotte data for at muliggøre en objektiv analyse af hjernen og dens delregioner 4. Desuden er en fremgangsmåde til 3D visualisering af FDG-PET-CT tidsforløb fremlagt. Sammenfattende præsenterer vi en detaljeret protokol for iværksættelse, kvantificere, og visualisere en induceret iskæmisk slagtilfælde begivenhed i en levende Sprague-Dawley rotte i tre dimensioner ved hjælp af FDG-PET.
Slagtilfælde er en af de førende dødsårsager i de udviklede lande, og er direkte ansvarlig for død af 1 ud af 19 amerikanere 1. Det er blevet anslået, at omkring 795.000 amerikanere oplever slagtilfælde hvert år, hvoraf 87% af disse er iskæmisk i naturen 5. Under et iskæmisk tilfælde er kontinuerlig forsyning af oxygen og glucose til de cortikale neuroner alvorligt forringet inducere et hypoksisk miljø, hvilket fører til nedsat cellulær funktion i de berørte områder af hjernen. Afhængigt af sværhedsgraden af slagtilfælde, cerebral blodgennemstrømning og glukoseoptagelse varierer rumligt og tidsligt.
Skader som følge af slagtilfælde kan identificeres gennem ikke-invasive metoder, såsom 18 F-fluordeoxyglucose (FDG) Positron Emission Tomography 6. FDG er en glucose analog hvor ved 2 'position hydroxylgruppen er blevet erstattet af positronemitterende 18F isotop. 18F er Advantageous på grund af sin lange, 110 minutter halveringstid, således at det kan anvendes til at detektere glukose forbrug i hjernen. FDG PET producerer en kvantitativ høj opløsning kort over deoxyglucose forbrug i hjernen 7 som 18F tendens til at ophobe i områder med stort forbrug af glucose, hvilket indikerer, at sådanne væv er meget metabolisk aktive 8. Den 18 F kerne undergår beta-henfald, frigive en positron, som hurtigt tilintetgør med en nærliggende elektron, der producerer gammastråler, som er opdaget af instrumentet. FDG PET scanninger kan gentages i det samme individ med mindst 10 18 F halveringstider, eller omkring 18 timer, mellem scanninger, hvilket giver en måde at studere ændringer i hjernens aktivitet over tid i det samme individ.
Prækliniske dyremodeller, såsom rotter, anvendes ofte til at vurdere virkningerne af slagtilfælde og effektiviteten af behandlinger for slagtilfælde. Eftersom FDG PET er ikke-invasiv, kan det anvendes til at målevirkningerne af slagtilfælde over tid uden at forstyrre fysiologi af dyret. Afhængigt af slagtilfælde begivenhed sted, kan forskellige regioner af hjernen påvirkes. Men med små dyr som rotter, manuelt at definere og kvantificere inden for særlige områder af rottehjernen kan være udfordrende. For at kunne sammenligne glukose metabolisk aktivitet i bestemte områder af rotte hjerne over tid, skal mængder af interesse (VOI), der skal kvantificeres konsekvent afgrænset. En præcis atlas af rottehjernen er blevet udviklet for at afhjælpe dette problem 9 og er blevet omdannet til digital form til anvendelse i kvantificering af prækliniske FDG-PET data. Her præsenterer vi en metode til at klassificere slagtilfælde vævsskade i en konsekvent, metodisk måde. Metoden beskriver den kirurgiske procedure for iværksættelse cerebral iskæmi i en dyremodel, kvantificere specifikke hjerneregioner delregioner ramt af slagtilfælde, og producere en tredimensionel visualisering af omfanget og placeringen af slagtilfældevævsskade ved hjælp af egnede teknikker og værktøjer. Brug den metode, der er beskrevet i denne undersøgelse, kan forskerne konsekvent indlede cerebral iskæmi hos rotter, adfærd PET billeddannelse, og kvantificere ændringer i FDG optagelse ved hjælp af definerede områder af hjernen i prækliniske slagtilfælde modeller over tid.
Her præsenteres en detaljeret strategi for slagtilfælde induktion, PET-billeddannelse, og standardiseret hjerne underområde måling af vævsbeskadigelse i Sprague-Dawley rotter. Imaging små dyremodeller, især i området for slagtilfælde er gavnlig, som behandling for slagtilfælde at være effektiv, afhænger af en meget kort terapeutisk tid. Her præsenterer vi en skade-reperfusion model, hvor slagtilfælde blev induceret via en okklusion til arteria cerebri media, og billeddannelse udført under anvendelse af FDG PET, sideløbende med en X-ray CT for anatomisk reference. Ensrettede målinger af FDG optagelse inden hjernen delregioner blev muliggjort af præcis kortlægning af VOI skabelon atlas på rotte hjerne i PMOD billedanalyse software. Ratiometrisk FDG værdier blev indsamlet ved at dividere tilsvarende hjernen delregioner i modstående halvkugler, som giver en enkel måling af skader, mens normalisering for variationer i den globale FDG PET signal mellem forskellige dyr og tid points. Disse målinger er i overensstemmelse med den forventede effekt af slag på rotte hjerne, hvilket viser konsekvent, betydeligt tab af hjernevæv glukoseoptagelse i visse områder af det ipsilaterale halvkugle. Denne metode har potentiale til at øge vores evne til at sammenligne FDG PET datasæt af dyr, der mange typer af hjernetraume, herunder iskæmisk slagtilfælde. Ved at standardisere de mængder, der skal kvantificeres tværs halvkugler af hjernen og på tværs af flere dyr, denne metode genererer konsekvente målinger af nedsat væv glukoseoptagelse. Bemærk, at andre PET-sporstoffer med hjerneoptagelse, ligesom 11 C-racloprid for D2-receptorer, kan anvendes med denne protokol samt 21. Endelig beskriver vi en metode til at visualisere en iskæmisk slagtilfælde i et rottehjerne inden for sit skelet med høj anatomisk nøjagtighed i tre dimensioner. Da slagtilfælde-induceret fysiologisk og funktionsnedsættelse kan være forbigående eller permanent, denne ikke-invasiv metode til billeddannelsetillader forskerne at evaluere hjerneskade i samme dyr over en periode. Det giver en måde at neurologisk score rotterne, samt vurdere kort- og langsigtede neurologiske udfald i det samme dyr. Skabelonen funktion PMOD software giver forskere med en vis mængde af præcision at kortlægge skade området og måske korrelere neurologiske sequelae og adfærdsmønstre.
For nøjagtig kvantificering af slagtilfælde skader ved hjernen subregion, nøglen skridt er opretning af PET data med rottehjernen atlas inden PMOD. Uoverensstemmelser i tilpasningen kan føre til ukorrekt kvantificering af hjernen subregioner ramt af iskæmi. Som beskrevet i protokollen trin 4.1.7, er det muligt at bruge de harderian kirtler som vartegn til indretning af hjernen atlas med eksperimentelle PET data. Delvis volumen effekter (PVE) er en bekymring i denne type analyse, og vil begrænse den samlede opløsning på hjernens struktur,kan afbildes. Signal spillover kan forekomme mellem tilstødende dele, eller VOI selv kan være for lille i forhold til instrumentet beslutning, hvorved den kvantitative nøjagtighed af metoden 22. Den Albira PET, der anvendes i disse studier er udstyret med tre detektor ringe og giver en opløsning på 1,1 mm, der er udviklet fra tilsvarende en ringsystem, der opnås 1,5 mm 23. Buvat og medarbejdere bemærke, at PVE vil påvirke målinger af tumorer med en diameter på mindre end 2-3x systemet opløsning ved fuld bredde halvt max (FWHM), hvilket ville svare til en sfærisk volumen 5,6-18,9 mm 3 for 3- ring Albira. Casteels et al. For nylig, at mængder på over 8 mm 3 vil have minimale partielle volumen effekter for moderne prækliniske PET-scannere med opløsning i intervallet 1,1-1,3 mm 24. De Schiffer atlas er omhyggeligt konstrueret med disse parametre i tankerne, og udnytter 58 vois, hvoraf 13 falder under 8 mm 3 tærskel. Disse omfatter den vois for højre og venstre halvdele af den mediale præfrontale cortex (6,3 mm 3, R / L), Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), den overlegne colliculus (7,1 mm 3, R / L) , VTA (5,5 mm 3, R / L), ringere colliculus (5,7 mm 3, R / L), hypofysen (5,9 mm 3) og CB blodgennemstrømning (5,1 mm 3). Desuden vil målinger af den frontale cortex (1,4 mm 3 R / L) være den mest modtagelige for PVE grund af sin lille størrelse.
Undersøgelser i større dyr som rotter, som har en tilsvarende stigning i størrelsen af anatomien, vil have et større antal hjernen subregioner, der kan pålideligt kvantificeres i forhold til mus. Alligevel er disse fremgangsmåder gælder for brain imaging i mus, som har deres egen hjerne atlas rådighed i PMOD der er sammensat af 18 subregioner, der erdimensioneret til at minimere PVE. Yderligere anvendelse af PET til at identificere endnu mindre hjerneregioner, end der er beskrevet i denne undersøgelse kan kræve anvendelse af alternative metoder. Den her beskrevne metode kan ensrettede og effektiv kvantificering af hjernevæv skader over tid, segmenteret efter hjerne subregion i levende rotter. Skade som følge af iskæmi er påvist her som et eksempel, men de metoder, der til kvantificering af ændringer i hjernens aktivitet kan anvendes til en hvilken som helst anden tilstand, der påvirker rottehjerne.
Afslutningsvis kan FDG-PET-CT-data fra små dyr skal erhverves i en ikke-invasiv og økonomisk måde, og kan nemt bruges til små dyr billeddannelse på en kvantitativ måde. Udnyttelse af Schiffer skabelon redskab for PMOD programmet kan iskæmiske områder af hjernen være afgrænset, og PET-data målt. Det er et stærkt værktøj for den fremtidige undersøgelse af hjernens reorganisering, reparation og neurogenese efter cerebral iskæmi, som vil fremme development af neuro-terapier handicappede patienter med slagtilfælde. Denne visualisering vil også være særlig nyttig ved evaluering andre tilfælde af hjerne traumer, hvor skaden væv kan justeres fra separate billeddiagnostiske metoder.
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 |