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.
L'AVC est la troisième cause de décès chez les Américains de 65 ans ou plus 1. La qualité de vie des patients qui souffrent d'un AVC ne parvient pas à revenir à la normale dans une grande majorité des patients 2, ce qui est principalement dû au manque actuel de traitement clinique d'un AVC aigu. Cela nécessite de comprendre les effets physiologiques de l'ischémie cérébrale sur les tissus du cerveau au fil du temps et ce est un domaine de recherche important actif. À cette fin, des progrès ont été réalisés expérimentale utilisant des rats comme un modèle préclinique d'accident vasculaire cérébral, en particulier, en utilisant des méthodes non-invasives telles que 18 F-fluorodésoxyglucose (FDG) couplée à la tomographie par émission de positons (TEP) imagerie 3,10,17. Ici, nous présentons une stratégie pour induire une ischémie cérébrale chez des rats par occlusion de l'artère cérébrale moyenne (MCAO) que l'ischémie cérébrale imite focale chez l'homme, et de l'imagerie ses effets sur 24 heures en utilisant le FDG-PET couplée avec X-ray tomodensitométrie (TDM) avec un Albira PInstrument ET-CT. A VOI atlas modèle a été ensuite fusionnés aux données de rat cérébraux pour permettre une analyse impartiale du cerveau et de ses sous-régions 4. En outre, un procédé de visualisation en 3D de l'évolution dans le temps FDG-PET-CT est présentée. En résumé, nous présentons un protocole détaillé pour initier, quantifier et visualiser un épisode d'AVC ischémique induite dans une vie rat Sprague-Dawley en trois dimensions à l'aide de la TEP-FDG.
L'AVC est une des principales causes de décès dans les pays développés, et est directement responsable de la mort de 1 sur 19 Américains 1. Il a été estimé qu'environ 795 000 Américains l'expérience d'AVC chaque année, dont 87% d'entre eux sont de nature ischémique 5. Lors d'un événement ischémique, apport continu d'oxygène et de glucose dans les neurones corticaux est sévèrement altérée induire un environnement hypoxique, ce qui conduit à une diminution de la fonction cellulaire dans les régions affectées du cerveau. En fonction de la gravité de l'accident vasculaire cérébral, le débit sanguin cérébral et l'absorption du glucose varie spatialement et temporellement.
Les dommages dus à l'AVC peut être identifié grâce à des méthodes non invasives, comme 18 F-fluorodésoxyglucose (FDG) tomographie par émission de positrons 6. FDG est un analogue de glucose où le groupe hydroxyle en position 2 'a été remplacée par la tomographie par émission de 18 F isotope. 18 F est advantageous en raison de sa longue demi-vie de 110 minutes, lui permettant d'être utilisé pour détecter la consommation de glucose dans le cerveau. FDG PET produit une carte à haute résolution quantitative de la consommation de désoxyglucose dans le cerveau que 7 18 F tend à se accumuler dans les régions de forte consommation de glucose, ce qui indique que ces tissus sont très métaboliquement active 8. Le noyau 18 F subit désintégration bêta, libérant un positron, qui annihile rapidement avec un électron à proximité, la production de rayons gamma, qui sont détectées par l'instrument. Scans FDG PET peuvent être répétées dans le même individu avec au moins 10 F 18 demi-vies, soit environ 18 heures, entre des recherches, fournissant ainsi un moyen d'étudier les changements dans l'activité cérébrale au fil du temps chez le même individu.
Modèles animaux précliniques, tels que les rats, sont souvent utilisés pour évaluer les effets des accidents vasculaires cérébraux et l'efficacité des traitements de l'AVC. Depuis FDG est non invasif, il peut être utilisé pour mesurerles séquelles d'un AVC au cours du temps sans perturber la physiologie de l'animal. Selon le lieu de l'événement de course, les différentes régions du cerveau peuvent être affectées. Cependant, avec de petits animaux tels que le rat, la définition et la quantification de l'activité manuellement dans des régions spécifiques du cerveau de rat peut être difficile. Afin de comparer l'activité métabolique du glucose dans des régions spécifiques du cerveau de rat au fil du temps, les volumes d'intérêt (VOI) à quantifier doivent être constamment délimitées. Un atlas précises du cerveau de rat a été élaboré pour atténuer ce problème neuf, et a été converti en format numérique pour une utilisation dans la quantification des données FDG-PET précliniques. Nous présentons ici une méthode de classification des dommages aux tissus de course dans une façon méthodique cohérente. Procédé détails de la procédure chirurgicale pour déclencher l'ischémie cérébrale chez un modèle animal, la quantification de sous-régions spécifiques du cerveau affectées par accident vasculaire cérébral, et de produire une visualisation en trois dimensions de l'étendue et l'emplacement de la coursedes lésions tissulaires en utilisant des techniques et des outils appropriés. En utilisant la méthodologie décrite dans cette étude, les chercheurs peuvent toujours déclencher une ischémie cérébrale chez les rats, effectuer l'imagerie TEP, et quantifier les changements dans FDG utilisant régions cérébrales définies dans les modèles précliniques de l'AVC au fil du temps.
Ici, nous présentons une stratégie détaillée pour la course induction, imagerie TEP, et standardisé sous-région de mesure des lésions tissulaires chez des rats Sprague-Dawley cerveau. Imagerie des petits modèles animaux, en particulier dans le domaine de la course est bénéfique, car le traitement de l'AVC pour être efficace dépend d'un temps extrêmement court thérapeutique. Ici, nous présentons un modèle blessures-reperfusion, dans laquelle la course a été induite par une occlusion de l'artère cérébrale moyenne, et l'imagerie effectué en utilisant FDG PET, aux côtés d'un CT à rayons X pour référence anatomique. Enrégimentés mesures de FDG dans les sous-régions du cerveau a été rendue possible par une cartographie précise de l'atlas de modèle VOI sur le cerveau de rat dans le logiciel d'analyse d'image PMOD. Valeurs Ratiométrique FDG ont été recueillies en divisant sous-régions du cerveau correspondant dans hémisphères opposés, ce qui permet une mesure directe de dommages tout en normalisant les variations de signal global FDG entre les différents animaux et le temps points. Ces mesures sont conformes à l'effet attendu de la course sur le cerveau de rat, démontrant de manière cohérente, une perte importante de tissu cérébral absorption du glucose dans certaines régions de l'hémisphère ipsilatéral. Cette méthodologie a le potentiel d'augmenter notre capacité à comparer des ensembles de données FDG PET d'animaux subissant de nombreux types de traumatisme cérébral, y compris accident vasculaire cérébral ischémique. En standardisant les volumes à être quantifiée dans hémisphères du cerveau et sur plusieurs animaux, cette méthode génère des mesures cohérentes de la diminution de l'absorption de glucose dans le tissu. Notez que d'autres traceurs TEP au cerveau absorption, comme C-11 pour les récepteurs D2 raclopride, peut être utilisé avec ce protocole ainsi 21. Enfin, nous décrivons une méthode pour visualiser un AVC ischémique dans un cerveau de rat dans son squelette avec une grande précision anatomique en trois dimensions. Depuis déficience physiologique et fonctionnelle induite AVC pourrait être transitoire ou permanent, cette méthode non-invasive de l'imageriepermet aux chercheurs d'évaluer les lésions cérébrales chez le même animal sur une période de temps. Il fournit un moyen de marquer neurologique les rats, ainsi évaluer déficits neurologiques à court et à long terme dans le même animal. La fonction de modèle du logiciel PMOD permet aux chercheurs dotés d'une certaine quantité de précision pour cartographier la zone des blessures et peut-être en corrélation avec des séquelles neurologiques et du comportement.
Pour la quantification précise des dégâts de la course par le cerveau sous-région, l'étape clé est l'alignement des données de PET avec l'atlas du cerveau de rat dans PMOD. Les incohérences dans l'alignement peuvent conduire à une quantification inexacte des sous-régions cérébrales affectées par l'ischémie. Comme décrit dans l'étape de protocole 4.1.7, il est possible d'utiliser les glandes de Harder comme points de repère pour aligner l'atlas du cerveau avec les données expérimentales de PET. Effets de volume partiel (PVE) sont une préoccupation lors de ce type d'analyse, et limitera la résolution globale de la structure du cerveau quepeut être imagé. Signal débordement peut se produire entre des volumes adjacents, ou le VOI lui-même peut être trop faible par rapport à la résolution de l'instrument, ce qui réduit la précision de la méthode quantitative 22. Le système Albira PET utilisé dans ces études est équipé de trois anneaux de détecteur et fournit une résolution de 1,1 mm, ce qui a évolué à partir d'un système anneau qui atteint 1,5 mm 23 correspondant. Buvat et ses collègues notent que PVE affectera mesures de tumeurs avec un diamètre inférieur à 2-3x la résolution du système à pleine demi-largeur max (LMH), ce qui correspondrait à un volume de 5,6 à 18,9 mm sphérique de 3 pour la 3- anneau Albira. Casteels et al. A récemment déclaré que les volumes de plus de 8 mm 3 auront des effets de volume partiel minimales pour les scanners PET pré-cliniques modernes avec une résolution de l'ordre de 1.1 à 1.3 mm 24. L'atlas Schiffer a été soigneusement construit avec ces paramètres à l'esprit, et utilise 58 VOI, dont 13 chute en dessous du seuil de 8 mm 3. Ceux-ci comprennent le VOI pour hémisphères droit et gauche du cortex préfrontal médian (6,3 mm 3, R / L), le Par un cortex (7,6 mm 3, R / L), le colliculus supérieur (7,1 mm 3, R / L) , l'aire tegmentale ventrale (5,5 mm 3, R / L), colliculus inférieur (5,7 mm 3, R / L), de l'hypophyse (5,9 mm 3), et le flux sanguin du disjoncteur (5,1 mm 3). En outre, les mesures du cortex frontal (1,4 mm 3 R / L) seront les plus sensibles à la PVE en raison de sa petite taille.
Des études chez des animaux plus grands tels que les rats, qui ont une augmentation correspondante de la taille de l'anatomie, auront un plus grand nombre de sous-régions du cerveau qui peuvent être quantifiées de façon fiable par rapport à des souris. Néanmoins, ces méthodes sont applicables à l'imagerie du cerveau chez les souris, qui ont leur propre atlas disponible dans PMOD de cerveau qui est composé de 18 sous-régions qui sontdimensionné de façon à minimiser PVE. En outre, en utilisant PET pour identifier les régions du cerveau encore plus petites que celles qui sont décrites dans cette étude peut nécessiter l'utilisation d'une méthodologie alternative. Le procédé décrit ici permet de quantifier disciplinés et efficace des lésions des tissus du cerveau au cours du temps, segmentés par sous-région du cerveau, chez les rats vivants. Les blessures dues à l'ischémie est démontré ici comme exemple, mais la méthodologie présentée pour la quantification des modifications de l'activité du cerveau peut être appliqué à toute autre condition affectant le cerveau de rat.
En conclusion, les données FDG-PET-CT de petits animaux peuvent être acquises de manière non-invasive et économique, et peuvent être facilement utilisés pour l'imagerie du petit animal dans un mode quantitatif. En utilisant l'outil de gabarit Schiffer PMOD du programme, les zones ischémiques du cerveau peuvent être délimitées et les données mesurées en PET. Ce est un outil puissant pour la future étude de la réorganisation du cerveau, la réparation et la neurogenèse après une ischémie cérébrale qui favorisera development de neuro-thérapies de patients victimes d'AVC handicapés. Cette visualisation sera également particulièrement utiles pour évaluer les autres cas de traumatisme cérébral, où le dommage tissulaire peut être aligné de modalités d'imagerie distincts.
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 |