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.
Stroke är den tredje vanligaste dödsorsaken bland amerikaner 65 år eller äldre 1. Livskvaliteten för patienter som lider av en stroke inte återgå till det normala i en stor majoritet av patienterna 2, vilket främst beror på nuvarande bristen på klinisk behandling av akut stroke. Detta kräver att förstå de fysiologiska effekterna av cerebral ischemi på hjärnvävnad över tiden och är ett viktigt område för aktiv forskning. För detta ändamål har experimentell framsteg gjorts med användning av råttor som en preklinisk modell för stroke, speciellt med användning av icke-invasiva metoder, såsom 18 F-fluordeoxiglukos (FDG) kopplat med positronemissionstomografi (PET) avbildning 3,10,17. Här presenterar vi en strategi för att framkalla cerebral ischemi hos råttor genom mitten cerebral artär ocklusion (kortex) som härmar fokal cerebral ischemi hos människor, och att avbilda dess effekter över 24 timmar med hjälp av FDG-PET i kombination med röntgen datortomografi (CT) med en Albira PET-CT instrumentet. A VOI mall atlas därefter smält till de cerebrala rått data för att möjliggöra en objektiv analys av hjärnan och dess delregioner 4. Dessutom är en metod för 3D visualisering av FDG-PET-CT tidsförloppet presenteras. Sammanfattningsvis presenterar vi ett detaljerat protokoll för att initiera, kvantifiera, och visualisera en inducerad ischemisk stroke händelse i en levande Sprague-Dawley råtta i tre dimensioner med hjälp av FDG-PET.
Stroke är en av de vanligaste dödsorsakerna i utvecklade länder, och är direkt ansvarig för döden av 1 av 19 amerikaner en. Det har uppskattats att ungefär 795,000 amerikaner upplever stroke varje år, varav 87% av dessa är ischemisk natur 5. Under en ischemisk händelse, är kontinuerlig tillförsel av syre och glukos till de kortikala neuroner allvarligt nedsatt inducera en hypoxisk miljö, vilket leder till minskad cellulär funktion i de drabbade hjärnregioner. Beroende på svårighetsgraden av stroke, cerebralt blodflöde och glukosupptag varierar spatialt och temporalt.
Skador på grund av stroke kan identifieras genom icke-invasiva metoder, såsom 18 F-fluordeoxiglukos (FDG) positronemissionstomografi 6. FDG är en glukosanalog där hydroxylgruppen vid 2'-positionen har ersatts av den positronemitterande 18 F isotop. 18 F är Advantageous grund av dess långa, 110 minuters halveringstid, vilket gör att den kan användas för att detektera glukoskonsumtionen i hjärnan. FDG PET ger en kvantitativ hög upplösning karta över deoxyglucose konsumtionen i hjärnan 7 som 18 F tenderar att ackumuleras i regioner med hög glukoskonsumtion, vilket tyder på att sådana vävnader är mycket metaboliskt aktiva 8. Den 18 F kärnan genomgår beta-sönderfall, släppa en positron, som snabbt förintar med en närliggande elektron, producerar gammastrålar, som detekteras av instrumentet. FDG PET kan upprepas i samma individ med minst 10 18 F halveringstider, eller cirka 18 timmar, mellan skanningar, vilket ger ett sätt att studera förändringar i hjärnans aktivitet över tid i samma individ.
Prekliniska djurmodeller, såsom råttor, används ofta för att utvärdera effekterna av stroke och hur effektiva behandlingar för stroke. Eftersom FDG PET är icke-invasiv, kan den användas för att mätaeffekterna av stroke över tid utan att störa fysiologi av djuret. Beroende på slaget händelseplatsen kan olika regioner i hjärnan kan påverkas. Men med små djur som råttor, manuellt definiera och kvantifiera aktivitet i specifika regioner i råtthjärna kan vara utmanande. För att jämföra glukos metabolisk aktivitet i specifika regioner i råtthjärna med tiden, måste volymerna av intresse (VOI) kvantifieras konsekvent avgränsas. En exakt atlas i råtthjärna har utvecklats för att lindra detta problem 9, och har omvandlats till digital form för användning i kvantifiering av prekliniska FDG-PET-data. Här presenterar vi en metod för att klassificera stroke vävnadsskador på ett konsekvent, metodisk sätt. Metoden detaljer det kirurgiska ingreppet för att inleda cerebral ischemi i en djurmodell, kvantifiera specifika hjärn delregioner som drabbats av stroke, och producera en tredimensionell visualisering av omfattningen och lokaliseringen av strokevävnadsskador med hjälp av lämpliga metoder och verktyg. Använda den metod som beskrivs i denna studie, kan forskarna konsekvent initiera cerebral ischemi hos råttor, genomföra PET imaging, och kvantifiera förändringar i FDG upptag använder definierade områden i hjärnan i prekliniska strokemodeller över tid.
Här presenterar vi en detaljerad strategi för stroke induktion, PET imaging och standardiserad hjärnunderregion mätning av vävnadsskada i Sprague-Dawley-råttor. Imaging av små djurmodeller, i synnerhet inom området för stroke är gynnsam, eftersom behandling för stroke för att vara effektiv beror på en extremt kort terapeutisk tid. Här presenterar vi en skada-reperfusion modell, där stroke inducerades via en ocklusion till mitten cerebral artär, och avbildning fördes med hjälp av FDG PET, tillsammans med en röntgen CT för anatomisk referens. Regimented mätningar av FDG upptag inom hjärn delregioner har gjorts möjlig genom noggrann kartläggning av VOI mall atlas på råtthjärna inom PMOD bildanalysmjukvara. Propportionell FDG-värden saml genom att dividera motsvarande hjärn delregioner i motsatta halvklot, vilket möjliggör en enkel mätning av skador samtidigt normalisera för variationer i den globala FDG PET-signalen mellan olika djur och tids points. Dessa mätningar är i överensstämmelse med den förväntade effekten av stroke på råtthjäma, visar konsekvent, betydande förlust av hjärnvävnad glukosupptag i vissa regioner i den ipsilaterala hemisfären. Denna metodik har potentialen att öka vår förmåga att jämföra FDG PET datauppsättningar av djur som genomgår många typer av hjärntrauma, inklusive ischemisk stroke. Genom att standardisera de volymer som ska kvantifieras över hjärnhalvorna och över flera djur, genererar denna metod konsekventa mätningar av minskad vävnadsglukosupptag. Observera att andra PET spårämnen med hjärnans upptag, liksom 11 C-rakloprid för D2-receptorer, kan användas med detta protokoll samt 21. Slutligen beskriver vi en metod för att visualisera en ischemisk stroke i en råtthjärna inom dess skelett med hög anatomisk noggrannhet i tre dimensioner. Eftersom stroke-inducerade fysiologiska och funktionsnedsättning kan vara övergående eller permanent, denna icke-invasiv metod för avbildninglåter forskare att utvärdera hjärnskador i samma djur under en tidsperiod. Det är ett sätt att neurologiskt poäng råttorna samt bedöma kort- och långsiktiga neurologiska underskott i samma djur. Mallen funktion PMOD programvaran tillåter forskare med en viss mängd av precision för att kartlägga skadeområdet och kanske korrelerar med neurologiska följdsjukdomar och beteendemönster.
För exakt kvantifiering av stroke skada genom hjärnregion, är nyckelfasen inriktningen av PET-data med råtthjärna atlas inom PMOD. Inkonsekvenser i linje kan leda till felaktiga kvantifiering av hjärn delregioner drabbats av ischemi. Som beskrivs i protokollet steg 4.1.7, är det möjligt att använda de harderian körtlar som landmärken för inriktning hjärnatlas med experimentella PET-data. Partiell volymeffekter (PVE) är ett bekymmer under denna typ av analys, och kommer att begränsa den totala upplösningen av hjärnans struktur somkan avbildas. Signalspillover kan inträffa mellan intilliggande volymer, eller VOI självt kan vara för liten i förhållande till instrumentets upplösning, vilket minskar den kvantitativa noggrannheten av metoden 22. Det Albira PET-systemet som används i dessa studier är utrustad med tre detektorringar och ger en upplösning på 1,1 mm, vilket utvecklats från motsvarande snabbringsystem som uppnås 1,5 mm 23. Buvat och medarbetare konstatera att PVE påverkar mätningar av tumörer med en diameter mindre än 2-3x systemets upplösning vid full bredd halv max (FWHM), vilket skulle motsvara en sfärisk volym på 5,6-18,9 mm 3 för 3- ringen Albira. Casteels et al., Uppgav nyligen att större volymer än 8 mm 3 kommer att ha minimala partiella volymeffekter för moderna prekliniska PET-skannrar med upplösning i intervallet 1,1-1,3 mm 24. De Schiffer atlas har omsorgsfullt konstruerade med dessa parametrar i åtanke, och utnyttjar 58 vois, varav 13 faller under 8 mm 3 tröskeln. Dessa inkluderar vois för höger och vänster halvklot av den mediala prefrontala cortex (6,3 mm 3, R / L), den Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), den överlägsna colliculi (7,1 mm 3, R / L) , VTA (5,5 mm 3, R / L), sämre colliculus (5,7 mm 3, R / L), hypofysen (5,9 mm 3), och CB blodflödet (5,1 mm 3). Dessutom kommer mätningar av frontala cortex (1,4 mm 3 R / L) vara den mest känsliga för PVE på grund av sin ringa storlek.
Studier på större djur som råttor, som har en motsvarande ökning av storleken av anatomin, kommer att ha ett större antal hjärn delregioner som kan tillförlitligt kvantifieras jämfört med möss. Ändå är dessa metoder är tillämpbara på hjärnavbildning i möss, som har sin egen hjärna atlas tillgängliga i PMOD som består av 18 underregioner som ärdimensionerad för att minimera PVE. Vidare att med hjälp av PET identifiera även mindre hjärnregioner än beskrivs i denna studie kan kräva användning av alternativa metoder. Den metod som beskrivs här möjliggör likriktat och effektiv kvantifiering av hjärnvävnad skador över tid, segmenteras efter hjärn delregion, i levande råttor. Skada på grund av ischemi demonstreras här som ett exempel, men den metod som presenteras för kvantifiering av förändringar i hjärnans aktivitet kan tillämpas på varje annat tillstånd som påverkar råtthjärnan.
Sammanfattningsvis kan FDG-PET-CT-data för smådjur förvärvas på ett icke-invasivt och ekonomiskt sätt, och kan lämpligen användas för små djur avbildning på ett kvantitativt sätt. Använda Schiffer mallverktyget i PMOD programmet kan ischemiska områden i hjärnan avgränsas och de PET-data mättes. Detta är ett kraftfullt verktyg för den framtida studier av hjärn omorganisation, reparation och nybildning av nervceller efter cerebral ischemi som kommer att främja development av neuro terapier funktionshindrade strokepatienter. Denna visualisering kommer också att vara särskilt användbar vid utvärdering andra fall av hjärntrauma, där vävnadsskada kan anpassas från separata avbildningsmetoder.
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 |