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'ictus è la terza causa di morte tra gli americani di 65 anni di età o più anziani 1. La qualità della vita per i pazienti che soffrono di un ictus non riesce a tornare alla normalità in una grande maggioranza dei pazienti 2, che è dovuto principalmente alla attuale mancanza di un trattamento clinico per l'ictus acuto. Questo richiede la comprensione degli effetti fisiologici di ischemia cerebrale sul tessuto cerebrale nel tempo ed è un importante area di ricerca attiva. A tal fine, sono stati compiuti progressi sperimentali utilizzando topi come modello preclinico per l'ictus, in particolare, con metodi non invasivi quali 18 F-fluorodeossiglucosio (FDG) accoppiato con Positron Emission Tomography (PET) 3,10,17. Qui vi presentiamo una strategia per indurre ischemia cerebrale nei ratti da occlusione dell'arteria cerebrale media (MCAO) che imita ischemia cerebrale focale negli esseri umani, e di imaging i suoi effetti oltre 24 ore con FDG-PET accoppiato con i raggi X tomografia computerizzata (CT) con Albira PStrumento ET-CT. A VOI atlante modello è stato successivamente fuse ai dati ratto cerebrali per consentire un'analisi imparziale di suoi sub-regioni del cervello e 4. Inoltre, un metodo per la visualizzazione 3D del corso tempo FDG-PET-CT è presentato. In sintesi, vi presentiamo un protocollo dettagliato per l'avvio, quantificare, e la visualizzazione di un evento ictus ischemico indotto in una vita Sprague-Dawley di ratto in tre dimensioni con FDG-PET.
L'ictus è una delle principali cause di morte nei paesi sviluppati, ed è direttamente responsabile della morte di 1 su 19 americani 1. E 'stato stimato che circa 795.000 americani esperienza ictus ogni anno, di cui 87% di questi sono di natura ischemica 5. Durante un evento ischemico, continuo apporto di ossigeno e glucosio ai neuroni corticali è gravemente compromessa inducendo un ambiente ipossico, che porta alla riduzione della funzione cellulare in regioni cerebrali colpite. A seconda della gravità della corsa, flusso sanguigno cerebrale e l'assorbimento di glucosio varia spazialmente e temporalmente.
Danni a causa di ictus può essere identificata attraverso metodi non invasivi, come ad esempio 18 F-fluorodeossiglucosio (FDG) Positron Emission Tomography 6. FDG è un analogo del glucosio in cui il gruppo ossidrile in posizione 2 'è stato sostituito dal positroni emettendo 18 F isotopo. 18 F è advantageous causa della sua lunga, 110 minuti emivita, permettendo così di essere utilizzato per rilevare il consumo di glucosio nel cervello. FDG PET produce una mappa ad alta risoluzione quantitativa del consumo desossiglucosio all'interno del cervello 7 come 18 F tende ad accumularsi nelle regioni di alto consumo di glucosio, indica che tali tessuti sono molto metabolicamente attivi 8. Il 18 F nucleo subisce decadimento beta, rilasciando un positrone, che annienta rapidamente con un elettrone vicina, producendo raggi gamma, che vengono rilevati dallo strumento. FDG PET possono essere ripetute nello stesso individuo con almeno 10 18 F emivite, o circa 18 ore, tra una scansione, fornendo così un modo per studiare variazioni dell'attività cerebrale nel tempo nello stesso individuo.
Modelli animali preclinici, come i ratti, sono spesso utilizzati per valutare gli effetti di ictus e l'efficacia dei trattamenti per l'ictus. Poiché FDG PET è non invasivo, può essere usato per misuraregli effetti della corsa nel tempo, senza interrompere la fisiologia dell'animale. A seconda della posizione evento di ictus, diverse regioni del cervello possono essere colpiti. Tuttavia, con piccoli animali come i ratti, definire manualmente e quantificare l'attività in regioni specifiche del cervello di ratto può essere impegnativo. Al fine di confrontare l'attività metabolica del glucosio in regioni specifiche del cervello di ratto nel corso del tempo, i volumi di interesse (VOI) per quantificare devono essere costantemente delineati. A precise atlante del cervello di ratto è stato sviluppato per alleviare questo problema 9, ed è stato convertito in forma digitale per l'utilizzo in quantificazione dei dati FDG-PET preclinici. Qui vi presentiamo un metodo per classificare i danni ai tessuti ictus in modo coerente, modo metodico. Il metodo in dettaglio la procedura chirurgica per l'avvio di ischemia cerebrale in un modello animale, quantificando specifiche sotto-aree cerebrali colpite da ictus, e produrre una visualizzazione tridimensionale della estensione e la localizzazione di ictusdanni ai tessuti utilizzando le tecniche e gli strumenti adeguati. Utilizzando la metodologia descritta in questo studio, i ricercatori possono sempre avviare ischemia cerebrale nei ratti, effettuare l'imaging PET, e quantificare i cambiamenti in FDG utilizzando regioni cerebrali definite in modelli preclinici ictus nel corso del tempo.
Qui vi presentiamo una strategia dettagliata per l'induzione della corsa, l'imaging PET, e il cervello standard sub-regione di misurazione di danni ai tessuti in ratti Sprague-Dawley. Imaging di piccoli modelli animali, in particolare nella zona di ictus è benefico, come trattamento per l'ictus sia efficace dipende da un brevissimo tempo terapeutico. Qui vi presentiamo un modello di danno da riperfusione, in cui corsa è stata indotta tramite un occlusione dell'arteria cerebrale media, e di imaging condotto con FDG PET, a fianco di un CT a raggi X per riferimento anatomica. Misure irreggimentato di FDG all'interno sub-regioni del cervello è stata resa possibile da una precisa mappatura delle atlante modello VOI sul cervello di ratto all'interno del software di analisi dell'immagine PMOD. I valori Raziometrico FDG sono stati raccolti dividendo sub-regioni del cervello corrispondente in emisferi opposti, che permette una misura diretta di danni, mentre normalizzare le variazioni di segnale globale FDG PET tra animali diversi e tempi points. Queste misure sono in linea con l'effetto atteso di ictus sul cervello di ratto, dimostrando coerenza, significativa perdita di tessuto cerebrale assorbimento del glucosio in alcune regioni dell'emisfero ipsilaterale. Questa metodologia ha il potenziale per aumentare la nostra capacità di confrontare insiemi di dati FDG PET di animali sottoposti a molti tipi di traumi cerebrali, tra cui ictus ischemico. Standardizzando i volumi da quantificare attraverso gli emisferi del cervello e in più gli animali, questo metodo genera misure coerenti di diminuzione assorbimento tissutale di glucosio. Si noti che gli altri traccianti PET con assorbimento del cervello, come la 11 C-raclopride per i recettori D2, può essere utilizzata con questo protocollo come pure 21. Infine, si descrive un metodo per visualizzare un ictus ischemico nel cervello di ratto nel suo scheletro con elevata precisione anatomica in tre dimensioni. Poiché compromissione fisiologica e funzionale ictus indotta potrebbe essere transitoria o permanente, questo metodo non invasivo di immaginipermette ai ricercatori di valutare danni cerebrali nello stesso animale per un periodo di tempo. Esso fornisce un modo di segnare neurologicamente i ratti, ma anche di valutare i deficit neurologici a breve e lungo termine, nello stesso animale. La funzione template del software PMOD permette ai ricercatori con una certa quantità di precisione per mappare la zona ferita e forse in correlazione con sequele neurologiche e dei modelli comportamentali.
Per la quantificazione precisa dei danni ictus subregione del cervello, il passo fondamentale è l'allineamento dei dati PET con l'atlante del cervello di ratto all'interno PMOD. Incoerenze in allineamento può portare alla non corretta quantificazione delle sottoregioni cerebrali colpite da ischemia. Come descritto nel passaggio protocollo 4.1.7, è possibile utilizzare le ghiandole Harderian come punti di riferimento per allineare l'atlante del cervello con dati sperimentali PET. Effetti di volume parziale (PVE) sono una preoccupazione in questo tipo di analisi, e limiterà la risoluzione complessiva della struttura del cervello chepuò essere ripreso. Ricaduta segnale può verificarsi tra volumi adiacenti, o VOI stesso potrebbe essere troppo piccolo rispetto alla risoluzione dello strumento, riducendo così la precisione quantitativa del metodo 22. Il sistema Albira PET utilizzato in questi studi è dotato di tre anelli rivelatore e fornisce una risoluzione di 1,1 mm, che è evoluto dal corrispondente sistema di un anello che ha raggiunto 1,5 millimetri 23. BUVAT e collaboratori notare che PVE influenzerà misurazioni di tumori con diametro inferiore 2-3x la risoluzione del sistema a piena semilarghezza max (FWHM), che corrisponde ad un volume sferico di 5,6-18,9 mm 3 per il 3- anello Albira. Casteels et al. Recentemente dichiarato che volumi superiori a 8 mm 3 avranno effetti di volume parziale minimi per i moderni scanner PET pre-clinici con risoluzione nel range di 1,1-1,3 mm 24. L'atlante Schiffer è stato accuratamente costruito con questi parametri in mente, e utilizza 58 VOI, di cui 13 rientrano al di sotto della soglia dell'8 mm 3. Questi includono il VOI per emisferi destro e sinistro della corteccia prefrontale mediale (6.3 mm 3, R / L), il Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), il collicolo superiore (7.1 mm 3, R / L) , il VTA (5,5 mm 3, R / L), collicolo inferiore (5,7 mm 3, R / L), ghiandola pituitaria (5.9 mm 3), e il flusso di sangue CB (5.1 mm 3). Inoltre, le misurazioni della corteccia frontale (1,4 mm 3 R / L) saranno i più sensibili al PvE grazie alle sue piccole dimensioni.
Studi in animali più grandi come topi, che hanno un corrispondente aumento delle dimensioni dell'anatomia, avranno un maggior numero di sub-regioni cerebrali che possono essere quantificati attendibilmente rispetto ai topi. Tuttavia, questi metodi sono applicabili per l'imaging cerebrale nei topi, che hanno un proprio atlante del cervello disponibile in PMOD che si compone di 18 sottoregioni che sonodimensionati per minimizzare PVE. Inoltre, utilizzando il PET per identificare le regioni del cervello più piccolo di sono descritti in questo studio può richiedere l'uso di metodi alternativi. Il metodo qui descritto permette di quantificare irreggimentato ed efficiente di danni ai tessuti cerebrali nel tempo, segmentato per subregione del cervello, in topi vivi. Lesioni a causa di ischemia è dimostrato qui come esempio, ma la metodologia presentata per la quantificazione delle variazioni nell'attività cerebrale può essere applicata a qualsiasi altra condizione che colpiscono il cervello di ratto.
In conclusione, i dati FDG-PET-CT di piccoli animali possono essere acquisiti in modo non invasivo ed economico, e possono essere convenientemente utilizzati per piccoli animali di imaging in maniera quantitativa. Utilizzando la mascherina Schiffer del programma PMOD, aree ischemiche del cervello possono delineare ei dati misurati PET. Questo è uno strumento potente per il futuro studio di riorganizzazione del cervello, la riparazione, e la neurogenesi dopo ischemia cerebrale che promuoverà DEVELOPMEnt di neuro-terapie di disabili pazienti con ictus. Questa visualizzazione sarà anche particolarmente utile per valutare altri casi di trauma cerebrale, dove il danno tissutale può essere allineato dalla modalità di imaging separati.
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 |