Abstract
Hjerneslag er den tredje største dødsårsaken blant amerikanerne 65 år eller eldre en. Livskvalitet for pasienter som lider av et hjerneslag unnlater å gå tilbake til det normale i et stort flertall av pasientene to, noe som i hovedsak skyldes dagens mangel på klinisk behandling for akutt hjerneslag. Dette nødvendig forstå de fysiologiske virkningene av cerebral iskemi på hjernevev over tid og er et stort område av aktiv forskning. Mot dette formål, har eksperimentell fremgang blitt gjort ved hjelp av rotter som et preklinisk modell for hjerneslag, spesielt ved bruk av ikke-invasive metoder som 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG) kombinert med Positron Emission Tomography (PET) bildebehandling 3,10,17. Her presenterer vi en strategi for å indusere cerebral iskemi hos rotter ved midten cerebral arterieokklusjon (MCAO) som etterligner focal cerebral iskemi hos mennesker, og bildebehandling sine effektene over 24 timer ved hjelp av FDG-PET kombinert med X-ray computertomografi (CT) med en Albira PET-CT instrument. A VOI mal atlas ble senere smeltet til cerebrale rotte data for å muliggjøre en objektiv analyse av hjernen og dens underregioner 4. I tillegg er en fremgangsmåte for 3D-visualisering av FDG-PET-CT tidsforløp presentert. I sammendraget presenterer vi en detaljert protokoll for å initiere, kvantifisere, og visualisere en indusert iskemisk hjerneslag hendelse i en levende Sprague-Dawley rotte i tre dimensjoner ved hjelp av FDG-PET.
Introduction
Hjerneslag er en av de viktigste årsakene til dødsfall i utviklede land, og er direkte ansvarlig for drapet på en av 19 amerikanere en. Det har blitt anslått at om lag 795 000 amerikanere opplever hjerneslag hvert år, hvorav 87% av disse er iskemisk i naturen fem. I løpet av en iskemisk hendelse, blir kontinuerlig tilførsel av oksygen og glukose til de kortikale nevroner alvorlig svekket indusere et hypoksisk miljø, noe som fører til nedsatt cellulær funksjon i de berørte områder av hjernen. Avhengig av alvorligheten av slag, cerebral blodstrøm og glukoseopptak varierer romlig og tidsmessig.
Skader som følge av hjerneslag kan identifiseres gjennom ikke-invasive metoder, slik som 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG) Positron Emission Tomography 6. FDG er en glukose analog hvor hydroksylgruppen i 2'-stilling er blitt erstattet av positron mitterende 18 F isotop. 18 F er advantageous på grunn av sin lange, 110 minutters halveringstid, slik at den kan brukes til å detektere glukoseforbruk i hjernen. FDG PET gir en kvantitativ høy oppløsning kart over deoksyglukose forbruket i hjernen 7 som 18 F har en tendens til å hope seg opp i regioner med høy glukoseforbruk, noe som indikerer at slike vev er meget metabolsk aktive 8. Den 18 F kjernen gjennomgår beta-forfall, slippe et positron, som raskt annihilates med en nærliggende elektron, som produserer gammastråling, som er oppdaget av instrumentet. FDG PET skanner kan gjentas i samme individ med minst 10 18 F halveringstider, eller om lag 18 timer i mellom skanninger, og dermed gi en måte å studere endringer i hjernens aktivitet over tid i samme individ.
Prekliniske dyremodeller, slik som rotter, blir ofte brukt for å evaluere virkningene av slag og effektiviteten av behandlinger for slag. Siden FDG PET er ikke-invasiv, kan den brukes til å målevirkningene av slag over tid uten å forstyrre fysiologien av dyret. Avhengig av hjerneslag arrangementssted, kan ulike regioner av hjernen påvirkes. Men med små dyr som rotter, manuelt å definere og kvantifisere spesifikke aktiviteten i regionene av rottehjerne kan være utfordrende. For å sammenligne glukose metabolsk aktivitet i bestemte regioner av rotte-hjerne over tid, må volumer av interesse (VOI) som skal kvantifiseres være konsekvent avgrenset. En presis atlas av rottehjernen har blitt utviklet for å lindre dette problemet 9, og har blitt omgjort til digital form for bruk i kvantifisering av prekliniske FDG-PET data. Her presenterer vi en metode for å klassifisere slag vevsskade i en konsekvent, metodisk måte. Metoden beskriver kirurgisk prosedyre for å initiere cerebral iskemi i en dyremodell, kvantifisere spesifikke hjerne subregionene rammet av hjerneslag, og produsere en tredimensjonal visualisering av omfang og lokalisering av hjerneslagvevskade ved bruk av egnede teknikker og verktøy. Ved hjelp av metoden beskrevet i denne studien, kan forskerne konsekvent initiere cerebral iskemi hos rotter, gjennomføre PET billeddiagnostikk, og kvantifisere endringer i FDG opptak ved hjelp av definerte områder av hjernen i prekliniske takts modellene over tid.
Protocol
Animal håndtering og alle eksperimenter med dem var strengt utført i henhold til protokoller som ble godkjent av Institutional Animal Care og bruk komité ved University of Notre Dame (Protocol nummer 14-086).
1. Dyr
- Dyr og Stroke initiering: Bruk male Sprague Dawley rotter som veier mellom 220 og 270 g for alle slag studier.
- Bedøve rotter med 2,5% isofluorane (2 l / min i 100% O 2) ved hjelp av en nesekonus.
- Plasser dyret i ryggleie på en varmepute. Tape ned forbena.
- Barbere ventralsurface av halsen. Prep det barberte området med 70% EtOH, etterfulgt av 10% providone jodløsning.
- Sterile instrumenter brukes for denne prosedyren; hansker erstattes etter prep av dyret. Sterile tips teknikker er ansatt.
- Ved hjelp av en saks, foreta en 2-2,5 cm innsnitt parallelt med luftrøret, 0,5 cm til høyre for luftrøret. Ved hjelp av sløv dissection finne halspulsåren.
- Bruk Saker å hjelpe visualisere fartøyet. Plassere en mikro klemme på arteria carotis communis (CCA).
- Plasser den første forgreningspunkt som vil være det ytre halsarterie (ECA) og arteria carotis interna (ICA). Etse mindre grener festet til ECA, slik som occipital arterie.
- Ligate ECA ved avslaget til skjoldbrusk arterie med en 4-0 silke sutur. Stingene skal ha ekstra lengde for å aktivere hemostats å holde sutur.
- Cauterize ECA over sutur (kranialt). Å klemme sutur med hemostatene, trekk ECA caudally og det vil være parallell med CCA.
- Finn ICA og bruke en annen mikro klemme til okkludere denne arterien.
- Lag et lite hull i ECA ved hjelp av små våren saks. Sett avstengertapp inn i ECA og knyt en sutur rundt sperreinnretningen for å hindre blodstrømmen.
- Fjern mikro klemmen på ICA og fremme avstengertapp til du kjenner motstand.
Merk Kontroller at avstengertapp fremskritt i ICA og ikke den pterygopalatin arterien. Lukkeren skal avansere jevnt og den hvite tuppen bør ikke ses hvis Lukkeren er riktig plassert. - Fjern mikro klemmen fra CCA. Skjær overflødig lukker eller sutur.
- Plassere 9 mm Auto Klipp å lukke huden snitt.
- Fjerne dyret fra anestesi og tillate dyr å vekke. Etter to timer:
- Bedøve rotte med isofluran.
- Fjern såret klipp.
- Lokalisere slutten av avstengertapp og fjerne den fra midten cerebral arterie ved å trekke forsiktig på det før den hvite spissen av avstengertapp kommer i kontakt med sting. Ikke dra den helt ut, vil dette føre til blødninger.
- Erstatte såret klipp til snittet.
- Fjerne dyret fra anestesi og tillate dyr å vekke.
2. Image Acquisition
Utføre tre PET og CT sbokser for hver rotte. Ta en pre skanne 1-2 dager før induserende slag, for å gi en baseline for 18 F-FDG opptak. Skanne hver rotte 1,5 timer etter hjerneslag, før reperfusjon utføres (bilde med sperreinnretningen fortsatt i dyret). Skanne hver rotte 26 timer etter hjerneslag (24 timer etter reperfusjon) for å kvantifisere hjernevev skade på grunn av hjerneslag skade.
NB: Den 24-timers tidspunktet nevnt i resten av manuskriptet refererer til stillingen reperfusjon tid når rottene ble skannet.
- Bedøver rottene under 2,5% isofluorane gass i anestesi kammeret.
- Injisere ca. 500 uCi av 18 F-deoksyglukose (FDG) (200 pl totalt volum) inn i halevenen til rotter.
- Vent i 1 time.
- Plasser bedøvet rotte på standard rotte sengen, under nesen membran isofluorane anestesi. Mål avstanden i mm mellom nese av rotte og kanten av rotte seng for horisontal offset.
3. Image Acquisition
- Åpen Albira Suite software.
- Velg innløser.
- Nevne ny studie.
- Under PET eller SPECT klikk på Legg til> Velg PET-protokollen. Klikk Legg til.
- Under CT klikk på Legg til> Velg CT-protokollen. Klikk Legg til.
- Klikk nummer under Initial Horisontal posisjon i henhold til PET. Still nummer til målte avstanden i mm mellom nese av rotte og foran rotte seng. Gjenta for CT.
- Still forbehold Rat og angi vekt i gram.
- Satt Forbindelse til FDG.
- Still Injeksjon Tid og Injection Dato og Dose.
- Klikk Start Study knappen.
MERK: Ved ferdigstillelse av PET CT scan, data vil bli lagret automatisk. - Åpne Albira Reconstructor.
- Change Venter å vare 10 eller Alle.
- Velg skanne filnavnet.
- Klikk Legg til.
- Klikk Start Reconstruction. MERK: Filen vil bli lagret i MicroPET format.
4. Bildeanalyse
- Utføre bildeanalyse ved hjelp av PMOD analyse programvare i forbindelse med W. Schiffer Brain Atlas.
- Åpen PMOD> Fusion.
- Naviger til fanen CoRegistration forhåndsbehandling på toppen av skjermen.
- Åpne Load Reference drop-down menyen på midten av skjermen og velge Nifti. Navigere til C: //PMOD3.2/resources/templates/usertemplates. Velg Rat (W.Schiffer) -FDG.nii og klikk Åpne.
- Åpne Load Input rullegardinmenyen til høyre på skjermen og velge MicroPET. Navigere til ønsketMicroPET fil. Velg den og klikk på Åpne.
- Naviger til kategorien Manuell CoRegistration på toppen av skjermen.
- Velg den fjerde kategorien i midten gruppe av faner på høyre (Reslicing).
MERK: To knapper vises på MicroPET skanninger. - Bruk den åpne hvite rektangelet å rotere MicroPET skanner og den fylte hvite rektangelet for å flytte MicroPET skanninger. Juster de to skanninger. For å gjøre dette, finn landemerker som de Harde kjertler, og topp og bak cerebrale funksjoner som kan brukes til å matche MicroPET scan med hjernen modell. Juster deretter MicroPET scan før det passer med hjerneatlas (W. Schiffer).
MERK: For eksempel, de Hardekjertlene til å se lyst på både MicroPET skanner og hjerneatlas (W. Schiffer), og kan brukes som en referanse for justering. - Hvis nødvendig, roter MicroPET skanne 180 ° i den koronale utsikt og heve skanningen betydelig i the sagittal visning, sammen med andre mindre orienterings endringer.
- Naviger til Full Screen Fusion (VOIS) -fanen øverst på skjermen.
- Velg Kilde A øverst til høyre på skjermen.
- Navigere til mal> Atlas nederst på siden.
- Velg Rat (W. Schiffer) fra rullegardinmenyen.
MERK: (valgfritt) Gå tilbake til Manuell CoRegistration kategorien hvor atlaset skal vises kledde på hjerneatlas (W. Schiffer). Atlaset kan brukes til å hjelpe justere MicroPET scan og hjerneatlas (W. Schiffer). Etter justering, gå tilbake til fullskjerm Fusion (VOIS) -kategorien. En mal vil vises på hjernen, noe som indikerer hvilke deler av hjernen vil bli målt for VIO statistikk. - Velg Kilde B øverst til høyre på skjermen.
- Velg VOI Statistikk-knappen øverst høt av skjermen.
MERK: Et regneark vises. - Velg Lagre.
MERK: En skrive så [VOI Statistikk] vindu vil vises. - Velg Lagre for å File System.
MERK: En PMOD (lagre): velge komponenter vindu vil vises. - I filnavnet feltet skriver du inn ønsket filnavn.
- Velg Lagre.
- Utføre dataanalyse ved hjelp av Microsoft Office Excel 2010.
- Åpne Excel.
- Velg Fil> Åpne.
- Endre filtypen fra All Excel-filer til alle filer.
- Navigere til de lagrede VIOSTAT filer. Velg ønsket fil.
MERK: En importveiviseren vil vises. - Velg Avslutt. Hvis du bruker en Mac, dobbeltklikk på VOISTAT filen og det vil direkte åpen som en Excel-fil.
- Velg kolonnen med feltet VoiName (Region). Kopiere informasjonen og lim det inn i en ny Excel-fil.
- Velg kolonnen som inneholder feltene Average og [1/1]. Kopiere informasjonen og lim den inn i ny Excel-fil.
- Gjenta denne prosessen for alle VOISTAT filer.
- Begynn en ny fane for hvert datasett.
- Tilbake til den første kategorien. Velg en ny celle. Beregne forholdet på høyre side av en hjerne-delen til venstre side av en hjerne-delen ved å dividere verdien av høyre side av hjernen ved den venstre side av hjernen. Hjernen seksjon som tilhører den høyre side av hjernen er oppført før den delen som tilhører den venstre side av hjernen. Gjenta dette for alle hjerne seksjoner.
- Velg en ny celle. Bruk GJENNOMSNITT funksjon for å beregne gjennomsnittet av hver av de tidligere beregnede forholdstall på tvers av alle musene.
- Velg en ny celle. Beregn SEM av hver hjerne seksjon ved å bruke STDAV-funksjonen og dele jegt med kvadratroten av antall mus.
- Gjenta dette for hvert datasett.
5. Bilde Visualisering
- Konvertere bilder til analyse filformat bruker PMOD analyse programvare.
- Åpen PMOD> View.
- Naviger til kategorien Vis på toppen av skjermen.
- Åpne Load rullegardinmenyen til høyre på skjermen og velge MicroPET. Navigere til ønsket MicroPET eller CT-fil. Velg den og trykk Åpne.
- Åpne Lagre rullegardinmenyen til høyre på skjermen og velge Analyze. Navigere til ønsket destinasjon. Skriv inn ønsket navn i Filnavn-feltet. Velg Lagre.
- Lage bildesekvenser ved hjelp VolView bildebehandlingsprogrammer.
- Åpen VolView.
- Velg Åpne fil
- Naviger til analysere versjon av CT datafilen for den ønskede skann. Velg den og trykk Åpne.
MERK: En Åpne fil Wizard vises. - Bruke standardinnstillingene ved å trykke på Neste i popup-vinduet.
- Velg fanen Plugins på venstre side av skjermen.
- Åpne Plugin rullegardinmenyen og velg Verktøy> Merge Volumes.
- Fjern haken ved Rescale Components.
- Velg Angi Second Input.
- Naviger til analysere versjon av MicroPET datafil for samme scan. Velg den og trykk Åpne.
MERK: En Åpne fil Wizard vises. - Bruke standardinnstillingene ved å trykke på Neste i hvert skjermbilde.
MERK: MicroPET skanningen vises kledde på CT scan. - Velg Farge / Opacity Settings fanen på venstre side av skjermen.
- Åpne Component rullegardinmenyen nederst til høyre på skjermen. Velg en.
MERK: Dette vil sikre at CT scan er det eneste bildet påvirkes av følgende retninger. - I Scalar Color Mapping seksjon, velger du midtpunktet. Fjerne det ved å dra den ut av av glidebryteren området.
- Velg venstre punktet.
MERK: Et fargevelgeren vindu vil vises. - Endre fargen på det punktet til svart.
- Velg riktig tidspunkt.
MERK: Et fargevelgeren vindu vil vises. - Endre fargen på det punktet til hvitt.
- I Scalar Opacity Mapping seksjon, legge til et punkt ved å klikke hvor som helst i boksen.
- Juster delen til CT bildet viser bare skjelettet av rotte.
- Sjekk Enable Shading.
- Velg Rase fanen på venstre side av skjermen.
- Endre Antall rammer til 72.
- Endre X rotasjon til 360.
- Velg Opprett.
- Navigere til ønsket destinasjon. Opprett en ny mappe til å lagre bilder ved å høyreklikke på tomrom og velge Ny> Mappe.
- Skriv inn ønsket navn i Filnavn-feltet. Velg Lagre.
MERK: A Frame Size vindu vil vises. - Velg OK.
- Volview vil generere bildene. Når den er ferdig, vil et vindu med melding om "Filmen ble opprettet!" Velg OK.
- Tilbake til kategorien Farge / Opacity innstillinger.
- Under Component Vekt (r), justere glidebryteren for komponent 1 så det har value fra 0.
MERK: Bare MicroPET skanningen vises. - Gjenta trinn 5.2.21-28 å lage en ny bildesekvens.
- Tilbake til kategorien Farge / Opacity innstillinger.
- Under Component Vekt (r), justere glidebryteren for komponent 2 så det har verdien 0.
MERK: Bare CT scan vil vises. - Gjenta trinn 5.2.21-28 å opprette en tredje bildesekvensen.
- Generere rotasjons filmer (vist i videoen) ved hjelp av ImageJ programvare.
- Åpen ImageJ.
- Velg Fil> Importer> bildesekvens.
- Gå til filen som inneholder bildene som ser bare CT data for pre scan. Velg det første bildet, og trykk på Velg.
MERK: En sekvens alternativer vises. - Velg OK.
- Velg Fil &# 62; Import> bildesekvens.
- Gå til filen som inneholder bilder som vise bare de MicroPET data for pre scan. Velg det første bildet, og trykk på Velg.
MERK: En sekvens alternativer vises. - Velg OK.
- Velg Fil> Importer> bildesekvens.
- Gå til filen som inneholder bilder som vise både CT og MicroPET data for pre scan. Velg det første bildet, og trykk på Velg.
MERK: En sekvens alternativer vises. - Velg OK.
- Velg Bilde> Stabler> Verktøy> Kombiner.
MERK: En combiner vindu vil vises. - Velg Stack1 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder CT data.
- Velg Stack2 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder MicroPET data. Velg OK.
MERK: En ny bunke med begge skanninger vises. - Velg Bilde> Stabler> Verktøy> Kombiner.
MERK: En combiner vindu vil vises. - Velg Stack1 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder de kombinerte stabler.
- Velg Stack2 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder både CT data og MicroPET data. Velg OK.
MERK: En ny bunke med alle tre skanninger vises. - Holde de samlede stabler åpen. Gjenta trinn 5.3.2-16 for 1,5 timer etter skanning og 24 timer etter skanne bildestakker.
- Velg Bilde> Stabler> Verktøy> Kombiner.
MERK: En combiner vindu vil vises. - Velg Stack1 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder alle de forhåndsskannedata.
- Velg Stack2
- Sjekk Kombiner vertikalt.
- Velg OK.
MERK: En ny bunke med både pre skanning og 1,5 timer etter skanningen vises. - Velg Bilde> Stabler> Verktøy> Kombiner.
MERK: En combiner vindu vil vises. - Velg Stack1 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder de kombinerte stabler.
- Velg Stack2 rullegardinmenyen. Velg stabelen som inneholder alle 24 timer etter scan data.
- Sjekk Kombiner vertikalt.
- Velg OK.
MERK: En ny bunke med alle ni skanninger vises. - Velg Fil> Lagre som> AVI.
- Velg OK.
- Navigere til ønsket destinasjon. Skriv inn ønsket navn i Filnavn Lagre.
Representative Results
Cerebral iskemi ble initiert i levende Sprague-Dawley-rotter via okklusjon av den midtre cerebrale arterie, med påfølgende nukleær-imaging utført for å påvise virkningen. Levende rotter ble fotografert 24 timer før induksjon slag, så vel som 1,5 timer og 24 timer etter ischemi, hver med egne injeksjoner av ca. 500 uCi av 18 F-FDG som fullt desintegrerer i løpet av 18 timer. De tre ring Albira detektorsystem som brukes for disse studiene har en sensitivitet på 9%, slik at 500 pCi en rimelig dose for rotter. Representative bildedata for PET og X-ray CT-skanning vises for en rotte på 24-timers før og 24 timer etter reperfusjon tidspunkter i figur 1, toppen og nederste radene hhv. Den tverrgående (panelene A og E), sagittal (panelene B og F), og koronale (panelene C og G) skiver for hver avsøkning blir presentert med FDG-PET data farget i et & #8220; rainbow "intensitetsskalaen, og kledde på CT i gråtoner. Merk at CT ble brukt for anatomisk co-registrering av PET-data innenfor dyret skallen, og ingen radiodensity forandringer i hjernevev ble registrert i løpet av disse eksperimentene. På 24-timers var det en dramatisk nedgang i glukoseopptak til ipsilaterale halvkule, noe som tyder på utbredt vevsskade som følge av den induserte hjerneinfarkt. En 3D-gjengivelse av overleggsdata er presentert i figur 1D og H. Når rotert på skjermen, disse gjengitte data gir en forbedret visualisering av hjerneslag-indusert reduksjon i FDG opptak.
For å kvantifisere endringer i cerebral glukoseopptak på grunn av hjerneslag i en spatiotemporal måte, ble en VOI hjerne atlas brukt til pre-takts baseline, 1,5 timer, og 24 timer (post-reperfusjon) for hver skanning. Dette ble oppnådd ved hjelp av PMOD programvarepakke sammen med W. Schiffer rottehjerne mal og Atlas. Først PMOD ble brukt til å forvandle hver av rottehjerne PET datasett til riktig plass og geometri via manuell co-registrering ved hjelp av flytte og rotere verktøy under fanen Reslicing. Legg merke til at skalaen verktøyet er også tilgjengelig for å justere totale hjerne størrelse, hvis det er nødvendig. Mens bruken av Schiffer atlas er overlegen i forhold til manuelt å trekke Vois i hjernen plass, kan det være eksperimentfeil indusert fra unøyaktig hjernen fusjon. Således, i noen tilfeller en økning i dyre tall kan være nødvendig for å oppnå statistisk signifikans. Deretter ble de W. Schiffer VOI hjerneatlas automatisk brukt til å måle FDG akkumulering, i standard opptak enheter, innenfor definerte under regioner av rottehjernen (figur 2). De hjerneatlas VOI kan også anvendes i en iterativ måte med standard hjernemodellen for å optimalisere den manuelle sammensmelting av de eksperimentelle data videre. Som stoke hendelsen ble isolert til høyre hjernehalvdel i hvert dyr, skaden to hver region ble kvantifisert ved å beregne et forhold av glukoseopptak aktivitet mellom kontralaterale regioner (figur 2). Bruken av disse forholdene gir en praktisk normalisering mellom høyre og venstre hjernehalvdel, og fjerner variasjonen som kan oppstå når man sammenligner PET signalintensitetsverdier på tvers av ulike skanninger. På 1,5 timer etter hjerneslag ble 18 F-FDG uptakes ikke berørt i den iskemiske området. Derfor ble det ikke kvantitative endringer observert i glukoseopptak mellom de kontralaterale og ipsilaterale halvkuler (figur 3, blå og grønne søyler). Dette kan være på grunn av hyper-opptak av glukose i peri-iskemisk region eller økt glukosemetabolismen på dette tidspunkt for å kompensere for tap av mobilnettet ATP 10,11. Det ble imidlertid betydelig reduksjon i glukoseopptak i bestemte regioner av ipsilaterale hemisfæren observert over flere dyr (n = 5) ved 24 timer etter reperfusjon (figur 3, røde søyler). Other områder av hjernen viste liten eller ingen skade i den ipsilaterale halvkule.
Spesielt regionene i ipsilaterale halvkule som konsekvent utstilt forminskede FDG uptakes var: amygdala, caudatus putamen, det auditive, entorhinal, isolerte lapp, paracortex, og somatosensoriske områder av hjernebarken. Kortikale lesjoner forårsaket på grunn av hjerneslag er assosiert med tap av nerveforbindelser og endrede funksjonelle kart. Strukturelle unormalt i amygdala grunn av hjerneslag fører til psykopatologi og kognitiv dysfunksjon 12. Det er ikke overraskende at caudatus-putamen regionen ble rammet for FDG opptak som cerebral blodstrøm i den laterale delen av denne regionen er levert av okkluderte midten cerebral arterie 13. Den patologi i denne regionen av gnager hjernen fører til svekket diskriminerende læring, kognitiv behandling, og ikke-motoriske funksjoner 14. Manglende evne til å ta opp FDG ble også observert i entorhinal cortex end auditiv cortex i den mediale tinninglappen av iskemisk halvkule. I 2001, Davis et al. Rapportert at entorhinal cortex skader hos rotter fører til nedsatt sanseintegrasjon og vedvarende romfølelse deificits 15. Auditiv dysfunksjon er kjent å forekomme i slag hos mennesker, selv om det sjelden 16. Men opptak av FDG av mindreverdig colliculus som er en av de store hørselsbanene ble ikke påvirket av hjerneslag i vår modell. Det har blitt demonstrert at MCAO-induserte slag rotter øker adrenalin, noradrenalin, og sympatisk nerveaktivitet på grunn av infarkt i det isolerte hjernebark, en av regionene i vår modell som viste dårlig FDG opptak 17. Dette kan føre til endringer i autonome funksjon påvirker hjerte system. Dårlig FDG-opptaket ble også observert i somatosensory området av frontoparietal cortex. Iskemisk infarkt i dette området har blitt rapportert å forårsake strukturelle misdannelser og tap av talamiske tilkoblinger18. Limited FDG opptak ble også observert i den visuelle cortex, som kan føre til nedsatt okulær dominans plastisitet, som rapportert i rotte nyfødte utsatt for hypoksisk iskemi 19. Men redusert FDG opptak ble ikke observert i superior colliculus et område som er involvert i visuell motor veiledning 20. FDG opptak i hippocampus området ble også svekket, et område som er viktig i romlig hukommelse og navigasjon. Det ble konsekvent observert at under-regioner i midthjernen, så som den øvre og nedre colliculus, det ventrale tegmentale område (VTA), så vel som luktelappen i forhjernen og dyp thalamus ikke ble påvirket av okklusjon av den midtre halsarterie (figur 3).
Samlet utgjør disse resultatene viser at FDG-PET med CT gir en levedyktig, reproduserbar, og ikke-invasiv bilde strategi med å overvåke hjerneiskemi rotter i en langsgående mote.
Figur 1: PET-CT-data for rotter før og etter cerebral ischemi viser Hver rad de respektive tverrgående (A, E), Saggital (B, F), koronale (C, G), og 3D gjengitt (D, H) PET. -CT data av en rotte 24 timer før (øverste rad) og 24 timer etter reperfusjon (eller 26 timer etter induksjon av cerebral iskemi, nederst). Hvite piler indikerer plasseringen av redusert FDG opptak på grunn av hjerneslag skade. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: PET-data på linje med W. Schiffer rottehjerne atlas bruker PMOD De FDG-PET data av.en rotte 24 timer etter reperfusjon (eller 26 timer etter cerebral iskemi, øverste rad) er smeltet sammen med de VOI hjernen mal atlas for analyse (nederste rad). Fargene indikerer den separate VOIS av hjernen mal atlas. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
. Figur 3: Representant Kvantitativ analyse av glukoseopptak i Rat Brain ved Seksjon prosenter av rett til venstre halvkule FDG PET signal i Standard Opptak Enheter fra hver region av W. Schiffer Rat Brain Atlas rapportert for skanninger tatt før hjerneinfarkt hendelse (pre; blått), 1,5 t (grønn) og 24 timer (rød) etter reperfusjon (eller 26 timer etter reperfusjon). Feilstolpene representerer standardfeil for n = 5 rottehjerne hjerneslag, ved hvert tidspunkt. ** P ≤ 0,01, * p≤ 0,05 (paret t-test). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fig. 4: Illustrasjon av MCAO Surgery Den røde linjen er sperreinnretningen som er satt inn i den eksterne karotidarterie. Den blå oval representerer det området av hjernen.
Discussion
Her presenterer vi en detaljert strategi for hjerneslag induksjon, PET billeddiagnostikk, og standardisert hjernen sub-regionen måling av vevsskade i Sprague-Dawley rotter. Avbildning av små dyremodeller, spesielt i området for slag er fordelaktig, da behandling av slag for å være effektiv, avhenger av en ekstremt kort tid terapeutisk. Her presenterer vi en skade-reperfusjon modell, hvor slag ble indusert via en okklusjon til midten cerebral arterie, og bildebehandling utført med FDG med PET, sammen med en X-ray CT for anatomisk referanse. Sjefer målinger av FDG opptak innenfor hjerne subregionene ble gjort mulig ved presis kartlegging av VOI mal atlas på rottehjerne i PMOD bildeanalyse programvare. Proporsjonellekspansjon FDG verdier ble samlet inn ved å dele tilsvarende hjerneunderregioner i motstridende halvkuler, noe som gir en grei måling av skade mens normal for variasjoner i global FDG PET-signal mellom ulike dyr og tid pskjøter. Disse målingene er i overensstemmelse med den forventede virkning av slag på rottehjernen, noe som viser konsekvent, signifikant tap av hjernevev glukoseopptak i visse områder av den ipsilaterale hemisfæren. Denne metodikken har potensiale for å øke evnen til å sammenligne FDG PET-datasett av dyr som gjennomgår mange typer av hjernetraume, inkludert hjerneinfarkt. Ved å standardisere volumer som skal kvantifiseres over halvkuler av hjernen og på tvers av flere dyr, genererer denne metoden konsistente målinger av nedsatt glukoseopptaket i vev. Oppmerksom på at andre PET tracere med hjernen opptak, som 11 C-rakloprid for D2-reseptorer, kan brukes med denne protokollen samt 21. Endelig beskriver vi en fremgangsmåte for å visualisere en iskemisk slag hos et rottehjerne under dens skjelett med høy anatomisk nøyaktighet i tre dimensjoner. Siden hjerneslag-indusert fysiologiske og funksjonssvikt kan være forbigående eller permanent, denne ikke-invasiv metode for bildebehandlingtillater forskere å evaluere hjerneskade hos samme dyr over en tidsperiode. Det gir en måte å nevrologisk scorer rottene, samt vurdere kortsiktige og langsiktige nevrologiske utfall i samme dyr. Malen funksjon av PMOD programvaren tillater forskere med en viss presisjon for å kartlegge skadeområdet og kanskje relatere til nevrologiske følgetilstander og atferdsmønstre.
For nøyaktig kvantifisering av hjerneslag skade av hjerneregion, er det viktig steg justering av PET-data med rottehjerne atlas innenfor PMOD. Uoverensstemmelser i innretting kan føre til feil kvantifisering av hjerneregioner berørt av iskemi. Som beskrevet i protokollen trinn 4.1.7, er det mulig å bruke Harde kjertler som landemerker for innretting hjerneatlas med eksperimentelle data PET. Delvis volumeffekter (PVE) er en bekymring i denne typen analyser, og vil begrense den totale oppløsningen av hjernens struktur somkan avbildes. Signalspillover kan oppstå mellom tilstøtende volumer, eller VOI seg selv kan være for liten i forhold til instrument-oppløsning, og dermed redusere den kvantitative nøyaktigheten av metoden 22. Den Albira PET-systemet brukt i disse studiene er utstyrt med tre detektor ringer og gir en oppløsning på 1,1 mm, som utviklet seg fra tilsvarende en-ringsystem som oppnås 1,5 mm 23. Buvat og medarbeidere oppmerksom på at PVE vil påvirke målinger av tumorer med en diameter som er mindre enn 2-3 x systemoppløsningen ved full bredde halv max (FWHM), noe som ville tilsvare en sfærisk volum på 5,6 til 18,9 mm 3 for 3- ring Albira. Casteels et al. Nylig uttalt at volumene større enn 8 mm 3 vil ha minimal delvise volumeffekter for moderne pre-kliniske PET-skannere med oppløsning i størrelsesorden 1,1-1,3 mm 24. De Schiffer atlas har blitt nøye konstruert med disse parametrene i tankene, og benytter 58 Vois, hvorav 13 faller under 8 mm 3 terskel. Disse inkluderer den VOIS for høyre og venstre hjernehalvdelen av den mediale prefrontale 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), mindreverdig colliculus (5,7 mm 3, R / L), hypofysen (5,9 mm 3), og CB Blodstrøm (5,1 mm 3). I tillegg vil målinger av frontal cortex (1,4 mm 3 R / L) være mest utsatt for PVE på grunn av sin lille størrelse.
Studier i større dyr som rotter, som har en tilsvarende økning i størrelsen av anatomien, vil ha et større antall hjerne subregioner som kan kvantifiseres i forhold til mus. Likevel, disse metodene er aktuelt for avbildning av hjernen hos mus, som har sin egen hjerne atlas tilgjengelig i PMOD som består av 18 underregioner som erdimensjonert for å minimere PVE. Videre til å bruke PET identifisere enda mindre områder av hjernen enn det som er beskrevet i denne studien kan kreve å bruke alternativ metodikk. Metoden som beskrives her muliggjør sjefer og effektiv kvantifisering av hjernevev skade over tid, segmentert etter hjerneregion, i levende rotter. Skade på grunn av ischemi er vist her som et eksempel, men den metoden som er presentert for kvantifisering av endringer i hjerneaktivitet kan anvendes på en hvilken som helst annen tilstand som påvirker rottehjerne.
I konklusjonen, kan FDG-PET-CT-data av små dyr være kjøpt i en non-invasiv og økonomisk måte, og kan enkelt brukes for små dyr bildebehandling i en kvantitativ måte. Utnytte Schiffer mal verktøyet i PMOD programmet, kan iskemiske områder av hjernen være avgrenset og PET-data målt. Dette er et kraftig verktøy for fremtidige studier av hjernen omorganisering, reparasjon og neurogenesis etter cerebral iskemi som vil fremme development av Nevro-behandlinger til funksjonshemmede slagpasienter. Denne visualiseringen vil også være spesielt nyttig for å vurdere andre tilfeller av hjernetraumer, hvor vevsskade kan justeres fra separate bildediagnostikk.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | 18055-03 | artery clamp |
| occluder #4037 | Doccol Corp. | 403712PK10 | surgical stroke induction |
References
- 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).
