Summary
Metoden som presenteres her bruker samtidig positronemisjonstomografi og magnetic resonance imaging. I cerebral hypoksi-ischemi-modell, dynamiske endringer i diffusjons- og glukose metabolisme forekommer i løpet av og etter skade. Den utvikler seg og uforklarlige skader i denne modellen krever samtidig erverv dersom meningsfulle multi-modale bildedata som skal anskaffes.
Abstract
Dynamiske endringer i vev vann diffusjon og glukosemetabolismen oppstå under og etter hypoksi i cerebral hypoksi-iskemi reflekterer en bioenergi forstyrrelse i berørte celler. Diffusion vektet magnetisk resonans imaging (MRI) identifiserer områder som er skadet, potensielt irreversibelt, ved hypoksi-iskemi. Endringer i glukoseutnyttelsen i det berørte vev kan påvises ved positronemisjonstomografi (PET) avbildning av 2-deoksy-2- (18 F) fluor-ᴅ-glukose ([18 F] FDG) opptaket. På grunn av den raske og variable natur av skade i denne dyremodell, må anskaffelse av begge moduser av data utføres samtidig for å korrelere menings PET og MR-data. I tillegg inter-dyr variabilitet i hypoksisk-iskemisk skade på grunn av vaskulære forskjeller begrenser evnen til å analysere multimodale data og observere endringer til en gruppe-klok tilnærming dersom data ikke er ervervet samtidig i enkelte fag. Metoden pmislikte her gjør det mulig å skaffe seg både diffusjon vektet MR og [18 F] FDG opptak data i samme dyret før, under og etter hypoksisk utfordring for å avhøre umiddelbare fysiologiske endringer.
Introduction
På verdensbasis er hjerneslag den nest største årsaken til død og en viktig årsak til uførhet 1. Kaskade av biokjemiske og fysiologiske hendelser som oppstår under og akutt følgende slag hendelse skjer raskt og med implikasjoner for vev levedyktighet og til slutt utfallet 2. Cerebral hypoksi-iskemi (HI), noe som fører til hypoksisk-iskemisk encefalopati (HIE), er anslått til å påvirke opp til 0,3% og 4% av fullbårne og premature fødsler, henholdsvis 3,4. Dødeligheten hos spedbarn med HIE er ca 15% til 20%. I 25% av HIE overlevende, permanente komplikasjoner oppstår som følge av skaden, inkludert mental retardasjon, motoriske underskudd, cerebral parese, og epilepsi 3,4. Tidligere terapeutiske intervensjoner har ikke vist seg verdig til adopsjon som standard vare, og konsensus har ennå ikke nådd at de mest avanserte metoder, basert på hypotermi, er effektivt redusere sykelighet 3,5. Andre saker of contention inkluderer administrasjons av hypotermi og pasient utvalg seks. Dermed strategier for neuroprotection og neurorestoration er fortsatt et fruktbart område for forskning 7.
Rottemodeller av cerebral HI har vært tilgjengelig siden 1960-tallet, og senere ble tilpasset mus 8,9. På grunn av beskaffenheten av modellen og plasseringen av ligering, er det iboende variabilitet i resultatet på grunn av forskjell i sivile strømmen mellom 10 dyr. Som et resultat av disse modeller har en tendens til å være mer variable i forhold til lignende modeller som tilstopping av midtre cerebralarterie (MCAO). Sanntids måling av fysiologiske forandringer er vist med laser-Doppler strømningsmåling samt diffusjon-vektet MRI-11. Den observerte intra-dyr variasjon i cerebral blodstrøm under og rett etter hypoksi, samt i akutte utfall som infarktvolum og nevrologiskunderskudd, foreslår at samtidig kjøp og korrelasjon av multimodale data ville være gunstig.
Nylige fremskritt i simultan positronemisjonstomografi (PET) og magnetic resonance imaging (MRI) har åpnet for nye muligheter i preklinisk bilde 12-14. De potensielle fordelene med disse hybrid, kombinerte anlegg for prekliniske anvendelser er blitt beskrevet i litteraturen 15,16. Mens mange prekliniske spørsmål kan løses ved å avbilde et enkelt dyr sekvensielt eller med CCD separate dyregrupper, visse situasjoner - for eksempel når hver forekomst av en hendelse som hjerneslag manifesterer seg unikt, med raskt utviklende patofysiologi - gjør det ønskelig og nødvendig å bruke samtidig måling. Funksjonell neuroimaging gir et slikt eksempel, hvor samtidige 2-deoksy-2- (18 F) fluor-ᴅ-glukose ([18 F] FDG) PET og blood-oksygennivå avhengig (BOLD) MR har nylig blitt påvist i rotte whisker stimulering studerer 14.
Her viser vi samtidig PET / MR avbildning under utbruddet av en hypoksisk-iskemisk slag der hjernen fysiologi er ikke i steady state, men i stedet er raskt og irreversibelt skiftende under hypoksisk utfordring. Endringer i vann diffusjon, målt ved MRI og kvantifisert ved den tilsynelatende diffusjonskoeffisient (ADC) avledet fra diffusjon vektet imaging (DWI), har blitt godt preget for hjerneslag i kliniske og prekliniske data 17,18. I dyremodeller slik som MCAO, dråper diffusjon av vann i påvirkede hjernevev raskt på grunn av bioenergetisk kaskade som fører til cytotoksisk ødem 18. Disse akutte endringer i ADC er også observert i gnagermodeller av cerebral hypoksi-iskemi 11,19. [18 F] FDG PET avbildning har vært brukt i slagpasienter for å vurdere endringer i lokale glucose metabolisme 20, og et lite antall av in vivo dyrestudier har også brukt [18 F] FDG 21, inkludert i den cerebrale hypoksi-ischemi-modell 22. Generelt viser disse studiene redusert glukoseutnyttelse i iskemiske områder, selv om en studie ved hjelp av en modell med reperfusjon fant ingen sammenheng av disse metabolske forandringer med senere infarkt utvikling 23. Dette er i motsetning til diffusjon endringer som er blitt forbundet med irreversibelt skadet kjernen 21. Derfor er det viktig å være i stand til å oppnå den utfyllende informasjon avledet fra [18 F] FDG PET og DWI på en samtidig måte i løpet av utviklingen av slag, da dette er sannsynlig å gi meningsfull informasjon om skadeutviklingen, og virkningen av terapeutiske intervensjoner. Metoden vi beskriver her er lett mottakelig for bruk med en rekke PET tracere og MR sekvenser. For eksempel, [15 O] H 2 O PETbildebehandling sammen med DWI og perfusjon vektet bilder (PWI) fra MR kan brukes til å utforske videre utvikling av iskemisk penumbra og validere dagens teknikker innenfor streken bildefeltet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle dyr håndtering og prosedyrer som er beskrevet her, og i henhold til forsøksdyr: Rapportering in vivo eksperimenter (kommer) retningslinjer, ble utført i samsvar med protokoller godkjent av Association for Assessment of Akkreditering av Laboratory Animal Care (AAALAC) International akkreditert Institutional Animal Care og bruk komité ved University of California, Davis. Riktig kirurgi bør ikke resultere i tegn til smerte eller ubehag i dyret, men riktige trinnene bør tas hvis disse skiltene er observert, administrasjon av smertestillende midler eller i noen tilfeller, aktiv dødshjelp. Den høyre side av dyrene ble valgt vilkårlig for den ensidige prosedyren beskrevet.
1. Ensidig arteria carotis communis (CCA) Ligation
- Forbered sterile feltet med steriliserte kirurgiske verktøy og materialer plassert beleilig. Sørg for oppvarming puten varmes opp til 37 ° C med temperaturføler plassert trygt på puten. & #160; Sørg for å bruke en steril drapere å dekke operasjonsstedet.
- Bedøve dyr (isofluran, 1-3% i luft ved 0,5-1 l / min), og plasserer dyret i en liggende stilling med halen vendt bort. Sjekk anesthetization ved å knipe tå - dette bør utløse noen reaksjon hvis dyret er skikkelig bedøvet. Påfør ophthalmic salve til øynene.
- Påfør hårfjerning krem til lavere halsen til øvre bryst området ved hjelp av 1-2 bomullspinner. Vent 1-3 min, og deretter fjerne hår og fløte bruker våte gasbind eller spritservietter. Pinne innsnitt området med Betadine i en sirkulær måte fra innsiden til utsiden, og deretter endre til sterile kirurgiske hansker.
- Ved hjelp av kirurgisk saks, gjør et snitt på rundt 1 cm langs midtlinjen av nedre nakke. Skille nøye ytre hud fra omkringliggende fascia å bruke kirurgisk saks.
- Ved hjelp av to McPherson micro iris suturering tang, skille høyre arteria carotis communis fra fascia, ta vare å unngå skadelige vener eller forstyrbing vagus nerve.
- Ved hjelp av pinsett til høyre, exteriorize høyre CCA i en stabil posisjon. Påfør flere dråper av saltvann for å hindre uttørking. Passere en passende lengde (2-3 cm) av 6-0 silke sutur under høyre CCA, og ligate ved hjelp av en dobbel firkant knute. Eventuelt ligate igjen ved hjelp av en annen lengde på 6-0 silke sutur.
- Omplassere rett CCA og rengjør overflødig væske fra å åpne med en steril svamp pinne. Lukk snittet med 6-0 silke sutur. Påfør lidokain lokalt opp til 7 mg / kg.
- At dyret kan komme seg etter anestesien til ambulerende (ca. 30 min) og utføre post-kirurgiske overvåkning inntil dyret er klar for avbilding.
2. Utarbeidelse for bildebehandling: System- og maskinvaretestene
- Sett opp hardware og software for MR og PET-systemer og sjekke deres funksjonalitet som følger. Sørg for at alle fysiske tilkoblinger er sikre og programvareinnstillingene er riktig valgt.
- Mount PET system inne i MR boringen, samkjøre PET og MR synsfelt (FOV) sentre ved bruk av kjente aksiale forskyvninger. Monter MRI spolen inne i boringen i PET-systemet og sentrere spolen med PET-systemet og MRI-magnet sentre.
- Slå på PET elektronikk for makt og forspenning (Merk: trinn vil variere fra instrument). Utfør en rask (5 min) skanning ved hjelp av en 68 Ge sylinder og sjekke den resulterende sinogram å sikre at alle detektorer er i drift.
- Eventuelt kan skaffe dataene som skal benyttes til en PET / MRI transformasjonsmatrise for co-registreringsformål: Fyll en tredimensjonal fantom (f.eks tre) kuler fylt med 200 uCi 18 F vandig løsning og skaffe i 15 minutter med PET. Erverve anatomisk MRI data: i Scan kontrollvinduet, velg multi-slice multi-ekko (MSME) sekvens (se tabell 1
- Kontroller infusjonspumpe innstillinger og bruk. Sett pumpen på 4,44 mL per minutt, noe som i 45 min med konstant infusjon leverer et totalvolum på 200 pl, den typisk anbefalt grense for intravenøs injeksjon i en 20 g dyr.
- Kontroller av varmeapparatet og bekrefter at temperaturen utgang er tilstrekkelig til å holde dyret varmt (37 ° C). Kontroller at temperaturen og luftovervåkning er i drift som en forberedelse til dyr plassering på dyret sengen.
- Sjekk driften av O 2 og N 2 strømningsmålere (for 0,5 L / min: O 2 på 57,2 mg / min og N 2 på 0,575 g / min) ved å slå på både med trykkluft kilden og O 2 og N 2 kilder på. For å unngå risiko for skade mengdemålere, ikke slå dem på uten tilstrekkelig inngangstrykket.
- Sikre at isofluran vaporizer er tilstrekkelig fylt. Før avbildning, begynner isoflurananestesi strøm ved 1-2%, og 0,5 til 1 L / min.
- Forbered dyr seng ved å sikre at anestesi, luftpute og varmesystemene er plassert sikkert og funksjonelt. For ytterligere PET / MRI co-registreringsnøyaktighet, fiducial markører (f.eks kapillarrør fylt med radiomerkings ved en lignende konsentrasjon som injiseres for imaging) kan være festet til dyret sengen innenfor synsfeltet.
Arbeidsflyt 3. Imaging
Etter at alle nødvendige utstyr kontroller er ferdig, går du videre til bildebehandling som følger:
- Bedøve dyret med isofluran, og sett halevenekateter (28 G nål, PE-10 rør mindre enn 5 cm) fylt med heparinisert saltvann (0,5 ml heparin, 1.000 USP / ml, i 10 ml saltvann). Oppvarming av animalsk og / eller hale kan forbedre kateterinnførings nøyaktighet. Eventuelt plassere en dråpe cyanoakrylat lim på tuftene av innsettingfor å sikre IV-røret.
- Overfør dyret til det klargjorte dyr sengen. Sørg for at dyrets hode er sikkert, med øvre fortenner sikret ved tann bar og øre barer på plass hvis brukes.
- Påfør ophthalmic salve til øynene for å hindre uttørking. Sett rektal probe termometer. Sørg for at temperatur og respirasjon målingene er funksjonell.
- Tegn radiomerkings dose (rundt 600 uCi i 200 ul) som skal injiseres i heparinisert PE-10 rør av passende lengde - ca 3 m for PE-10 rør, og et volum på 200 ul. Den ene enden av dette rør til infusjonspumpen sprøyte, og den andre til halevenekateter linje, tar seg ikke å skape punkteringer i slangen.
- Skyv dyret sengen fremover inn i boringen av magneten, slik at ikke å forstyrre plasseringen av MRI spolen og eventuelle ledninger eller kabler, spesielt anestesi slangen. Sørg for at sentrum av hjernen er på linje med sentrene i MRI coil, PET system, og MRI-magnet.
- Utfør tuning og tilpasning av MRI spolen ved å dreie justeringshåndtakene på spolen, minimere impedans (sjekk spiral spesifikasjoner) og frekvens (300 MHz for en H 7 Tesla) uoverensstemmelser ved å observere visningen av høy effekt forforsterker.
- (MRI) Etter tuning og matching, erverve en speider bilde: Velg et RARE TriPilot sekvens og kjøre sekvensen fra Scan kontrollvinduet. Kontroller posisjonering av dyret, å gjenta trinn 3,5 og 3,6 etter behov. Tilbakestill shims til null verdi.
- (MRI) Anskaffe en lokalisert, point-løst spektroskopiske scan (PRESS) i et volum i hjernen: Kjør en PRESS sekvens (se tabell 1) i et rektangulært volum med dimensjoner 3,9 mm × 6 mm × 9 mm. Sjekk vannlinjen bredde med CalcLineWidth makro-kommandoen. Hvis den fulle bredde ved halv maksimum (FWHM) verdi er akseptabelt (for eksempel 0,2 ppm), fortsett til trinn 3.10. Hvis ikke, gå videre til trinn 3.9.
- (MRI) Anskaffe et felt kartet: Kjør en FieldMap sekvens (se tabell 1). Bruk den resulterende data for en multi-vinkel projeksjons mellomlegg (MAPSHIM) ved å kjøre MAPSHIM makro-kommandoen og velge lineær og andre orden (z 2) lokale justeringer. Gjenta trinn 3.8.
- (MRI) Plasser skive plan for DWI skanning (se tabell 1): ved hjelp av geometri Editor, sikre at oppkjøpet FOV er posisjonert til å erverve ønsket volum av interesse i hjernen. Hvis den resulterende skive planen er justert som ønsket, kopier denne skive plan i Scan kontrollvinduet for alle etterfølgende DWI skanninger. Begynn oppkjøpet.
- (PET) Med PET oppkjøpet forberedt og klar til å begynne, starte infusjonspumpe. Etter at den forhåndsbestemte forsinkelse, hvor salt fra kateteret har blitt injisert, begynner PET kjøp (se tabell 1) for å fange oppføring av radiomerkings. Overvåke tellehastighet og se etter gradvis økningi teller som indikerer en vellykket injeksjon.
- Etter 10-15 min, initiere hypoksisk utfordring samtidig med trinn 3.12. For å initiere hypoksisk utfordring, slå av medisinsk luftstrømmen og umiddelbart strøm på O 2 og N 2 strømningsmålere med de forhåndsinnstillinger for å levere 8% oksygen og 92% nitrogen, og redusere isofluran til 0,8%. Ikke slå på mengdemålere uten inngangstrykk.
- (MRI) samtidig som i trinn 3,12, begynner DWI anskaffelse fremstilt i trinn 3,10 (scan "H1").
- (MRI) Begynn DWI oppkjøp (skann "H2"), fremstilt i trinn 3.10, umiddelbart etter skanning H1 er fullført. Avslutt hypoksisk utfordringen ved å slå av mengdemålere, gjenopprette medisinsk luftstrømmen, og returnere isofluran konsentrasjon til en passende verdi basert på fysiologisk overvåking.
- (MRI) Anskaffe en post-hypoksi DWI skann utarbeidet i trinn 3.10. Slå av infusjonspumpe etter denne skanningen er fullført.
- (MRI) Acquire anatomical bilder i aksial og sagittal plan. I Scan kontrollvinduet - velg MSME sekvens (se tabell 1). Bruke geometri Editor, sikre at oppkjøpet FOV dekker hjernen.
- Fjern dyr, tilbake til buret når ambulerende og overvåke for tegn på sykelighet, euthanizing om nødvendig med bruk av CO 2 etterfulgt av halsdislokasjon som en sekundær metode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 viser resultatet av en riktig ligering av arteria carotis communis, før lukking av såret med 6-0 silkesutur.
I denne metoden, data fra avbildnings er sterkt avhengig av den tidsmessige arrangement av forsøket, som i sin tur bestemmer og er også styrt av eksperimentelle begrensningene inkludert bilde-innhentingsordninger og montering av utstyr. Disse og andre hensyn er videre utforsket i diskusjonen delen. Med protokollen beskrevet her, den fysiske konfigurasjon av utstyret (figur 2A) sørger for uavbrutt multimodal bildeopptak før, under og etter (figur 2B) hurtig innføring av hypoksisk utfordringen (figur 2C).
I denne dyremodell, som med mange iskemisk slag modeller, endringer i diffusjon kan påvises raskt etter fornærmelse (se figur 3A for en representative eksempel). Som vår fremgangsmåte er ikke fundamentalt endrer den cerebrale HI-modellen, kan diffusjon endringer gjengis på en robust måte - Figur 3B viser et økende prosent forskjellene i ADC z (ADC i z-retning) mellom den kontralaterale (ikke-okkludert, venstre) og ipsilaterale (okkluderte, høyre) side av hjernen,% LR, (n = 6 for skanning H2, n = 5 for alle andre tidspunkter). Som forventet, ADC-verdiene på det okkluderte side av hjernen reduksjonen som skaden skrider frem. Figur 3C viser et eksempel koronale snitt fra DWI-sekvensen, så vel som en sagittal snitt som viser den begrensede aksiale utstrekning av FOV (8 mm) for sekvens brukt. Detaljer om begrensninger pålagt ekko planar imaging (EPI) sekvens brukes for DWI er beskrevet i diskusjonen delen. Kort sagt, bildekvaliteten oppnås med den foreslåtte bilde rammeverket er avhengig system ytelse egenskaper, og EPI-baserte DWI sekvenser i particular kan utsette suboptimal maskinvare forhold eller oppkjøp parametere (se Figur 5B). Det var signifikante forskjeller mellom baseline og påfølgende ADC% LR verdier (p <0,05, uparet t-test) tyder på at dette er en robust parameter å avhøre bruke vår eksperimentelle oppsett.
Samtidig med endringer i ADC ble det halvkuleformede forskjeller observert i opptaket av [18F] FDG etter starten hypoksisk utfordringen og under skanning H2 (11% midlere LR forskjell, n = 3). I to av de tre tilfeller, ipsilaterale [18 F] FDG opptak redusert relativt til kontralateral opptak etter hypoksi (se figur 4 for et representativt eksempel), selv om dette ikke var til stede i alle tilfeller trolig på grunn av dyre variabilitet. Figur 5A viser et eksempel der den relative forskjellen i [18 F] FDG opptak mellom de to halvkulene var ikke som forventet i en dyr (blå). Figur5A viser også et eksempel hvor, mens [18 F] FDG-opptaket var som forventet etter hypoksi, døde dyr ved slutten av skanningen H2.
Figur 1. Eksempel på den høyre arteria carotis communis ligert med 6-0 silkesutur. Dyret er på ryggen med hodet peker mot bunnen av bildet. Området rundt snittet har blitt depilated, og snittet blir holdt åpen med tang for visualisering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 (A) Representative diagram av fysiske arrangement utstyr. PET innsatsen er plassert i boringen til magneten, og MR-spolen er i sin tur plassert i boringen til PET innsatsen. Dyret seng, sammen med fysiologisk monitorering (åndedrett puten ikke vist), anestesi linje, og IV kateter går inn i boringen, som vist. Den stiplede ring betegner en sikkerhetsmargin for bortkommen magnetfelt -. Det kan være nødvendig å plassere utstyr med magnetiske komponenter utenfor denne regionen, men innenfor MR rommet (etter alle sikkerhetsanvisninger) (B) Diagram oppsummerer time progresjon av eksperimentet . (C) Representative resultater av første endringene i O 2 nivå leveres til dyret umiddelbart etter starten av hypoksi utfordring. I løpet av omtrent 1 min, kan hypoksiske betingelser oppnås, som målt ved hjelp av en O 2 meter anbragt i en 0,5 L induksjonsboks (ikke vist), på linje med anestesi systemet. rge.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. (A) Eksempel på para ADC z maps ervervet ved baseline og gjennom etter hypoksi. (B) Plot viser% LR forskjell i ADC z fra baseline til etter hypoksi. Stjernene indikerer en signifikant forskjell (p <0,05, uparet t-test) sammenlignet med grunnlinjeverdi. Feilfelt representerer +/- ett standardavvik. (C) Eksempel på en EPI-DWI kjøp (aksial, sagittal, og 3D-visninger for å vise omfanget av FOV). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
/ftp_upload/52728/52728fig4.jpg "/>
Figur 4. (A) koronal og tverrgående stykke av et dyr som viser [18 F] FDG-opptak. PET bildet er i forgrunnen og er registrert og smeltet sammen med en anatomisk MR bilde i bakgrunnen for visualisering. PET-data er summert over alle rammer. (B) I samme dyr, [18 F] FDG tid aktivitet kurve for den kontralaterale halvkule (blå) og ipsilaterale halvkule (rød). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .
Figur 5. (A) Tid virkningskurver av kontralaterale (fast) og ipsilaterale (prikket) halvkule [18 F] FDG-opptak - vist på samme akse, er eksempler på en uventet [18 F] FDG gangaktivitet kurve (blå) og dyr død på slutten av H2 (på 45 min, grønn). (B) Ghosting gjenstander på grunn av potensielle maskinvarebasert RF feil. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Imaging Kjøps Parametere og Hardware Acquisition | |
| Diffusion MRI (EPI-DWI) | |
| Seismikkontrakten tid | 15 min |
| Matrix størrelse | 256 x 64 |
| Slices | 10 |
| FOV | 30 x 14 x 8 mm |
| Voxel størrelse | 0,117 x 0,219 x 0,8 mm |
| Effektiv spektral båndbredde | 150 kHz |
| TE | 41 msek |
| TR | 3000 msek |
| Gjennomsnitt | 6 |
| k-space segmenter | 16 |
| b-verdier | 0, 400, 800 sek / mm2 |
| Anatomisk MRI (MSME) | |
| Oppkjøpet tid | 5 min |
| Matrix størrelse | 256 x 256 |
| Slices | 16 |
| FOV | 30 x 22 x 12,8 mm |
| Voxel størrelse | 0,117 x 0,086 x 0,8 mm |
| TE | 14 msek |
| TR | 1000 msek |
| Gjennomsnitt | 1 |
| Repetisjoner | 1 |
| Point-Løst Spektroskopiske Scan (PRESS) | 15 s |
| Voxel størrelse | 3,9 x 6 x 9 mm |
| TE | 20 ms |
| TR | 2500 msek |
| Gjennomsnitt | 6 |
| FieldMap | |
| Oppkjøpet tid | 1 min 21 sek |
| Første TE | 1,49 msek |
| Andre TE | 5.49 ms |
| TR | 20 ms |
| Gjennomsnitt | 1 |
| PET Acquisition, Histogram, og gjenoppbygging Parametere | |
| Tracer | [18 F] FDG |
| Infusjonshastighet | 4,44 mL / min |
| Oppkjøpet tid | 60 min |
| Bildestørrelse per skive | 128 x 128 |
| Slices | 99 |
| Voxel størrelse | 0,4 x 0,4 x 0,6 mm |
| Dynamic framing | 12 x 300 sek |
| Rekonstruksjon typen | OS-MLEM (6 undergrupper, 6 gjentakelser) |
Tabell 1. MR pulssekvensparametre for skanninger som er beskrevet i protokollen, og PET oppkjøp, histogram og gjenoppbygging parametre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samtidig anatomisk MRI, og dynamisk DWI-MR og [18 F] FDG PET data ble vellykket kjøpt fra forsøksdyr under hypoksisk utfordring å følge vanlig halspulsåren ligation. Dette representerer en kraftig eksperimentell paradigme for multimodal avbildning av rask utvikling patofysiologien i forbindelse med iskemisk fornærmelser i hjernen, og kan lett utvides til å studere andre PET radiotracere (for eksempel markører for nevroinflammasjon) og MR-sekvenser, så vel som virkningen av intervensjons strategier under eller kort tid etter ischemisk utfordring.
For en vellykket gjennomføring av samtidige PET / MR avbildning under hypoksisk utfordring i cerebral HI-modell, må logistikken vurderes og metodene justeres tilsvarende. Faktorer som potensielt påvirker den tidsmessige arrangement av forsøket inkluderer, men er ikke begrenset til: 1) kilde for radioaktivitet - avhengig av radiotracer brukt, halveringstid av radionukliden, og spesifikke aktivitetskrav, kan dette påvirke den mulige totale antall dyr som avbildes; 2) rom layout - dette kan påvirke lengder av rør som brukes og dermed injisert dose, eller kan kreve ytterligere tiltak for å opprettholde injisert dose. Dette kan også ha en liten effekt på tiden for å oppnå likevekt for gassblandinger i anestesi røret; 3) dyr vekt - enkelte institusjoner kan innføre en grense på det totale injiserte volumet for overlevelse prosedyrer (f.eks, mindre enn 1% av kroppsvekt) i sin tur potensielt påvirker innstillinger rørlengde og infusjonspumpe rente; 4) tracer levering - en bolus, infusjon eller bolus pluss infusjon levering kan anvendes, som bestemt ved radiotracer farmakokinetikk og forventet observerbare endringer - de to sistnevnte er spesielt nyttig til å følge dynamiske endringer 24.
Design av PET og MR image oppkjøpet protokoller, spesieltly gitt begrenset tid med å jobbe, er en annen viktig faktor i dette eksperimentet. Hvis du bruker et ekko-planar imaging (EPI) -basert DWI sekvens (EPI-DWI) som presenteres her, omfatter viktige hensyn skanne varighet, synsfelt, og diffusjon gradient vekting og retninger. Mens du justerer disse parametrene, må iboende problemer med EPI-DWI også tas opp, inkludert skygger, signalutfall og gradient driftssyklus begrensninger. Bruken av respiratorisk gating kan brukes for å adressere problemer på grunn av bevegelse. Tabell 1 beskriver MRI innhentingsparametrene som benyttes sammen med informasjon om PET maskinvare, innhentingsparametere, og tracer leveringsparametere. For kvantifisering av PET-data, må detektoren normalisering påføres. Selv ikke gjort i vårt tilfelle, kan ytterligere tiltak iverksettes for å oppnå mer nøyaktig kvantifisering, inkludert demping korrigering bruker segmentert MRI data og scatter korreksjon. Førstnevnte kan ikke være nødvendig i små dyr som tHan grad av demping er liten og kan gjøres rede for bruk av lignende størrelse gjenstander kalibrering. Avhengig av MR-sekvens anvendes, kan det også være nødvendig å vurdere eventuelle betydelige BOLD effekter på T2 * 25. I tillegg kan effekten av bedøvelse og bæregass på blodglukose må tas i betraktning ved bruk av [18 F] FDG 26.
Sjekker bør gjennomføres for å sikre at det ikke er noen signifikant gjensidig interferens mellom PET og MR-maskiner, eller mellom bildesystemer og andre instrumenter som brukes i forsøket. I vår erfaring, var det ingen signifikant forskjell i PET eller MR bildekvalitet når anskaffes separat eller samtidig, selv om vi har observert forbigående tap i tellingene i PET systemet på grunn av falske signaler i PSAPD baserte detektorer indusert ved hurtig gradient switching, en effekt som har blitt nevnt av andre 12. Et annet problem observert var RF ingenise fra infusjonspumpe strømforsyning forstyrre PET detektor oppkjøpet fører til tap av data. Dette ble løst ved å bytte ut den originale strømadapteren med et laboratorium-kvalitet strømforsyning. Flere PET / MR maskinvarekonfigurasjoner er beskrevet i litteraturen, og justeringer i denne protokollen kan være nødvendig for å imøtekomme unike oppsett 12,27.
Arbeidsflyten bildebehandling kan modifiseres for å optimalisere forholdene for ulike MR pulssekvenser eller PET tracere og oppkjøpsplaner. For eksempel, har alvorlighetsgraden av skaden i cerebral HI-modellen har vist seg å være modulert av blant andre forhold, varigheten av hypoksi 11. Øke lengden på hypoksisk utfordringen kan tillate oppkjøpet av DWI data på finere tidsoppløsning, eller gi mer robuste halvkuleopptaks sammenligninger for PET tracere. Andre aspekter ved protokollen kan justeres basert på tilgjengelige ressurser og personell. ForEksempelvis kan kirurgi være forskjøvet og parallelt med bilde sesjoner for å redusere variabiliteten i tiden mellom CCA ligering og hypoksi.
I denne protokollen, samtidig PET og MR oppkjøpet, i tillegg til den fysiologiske utfordring, pålegger gjensidige begrensninger på hverandre når det gjelder timing. I optimalisere EPI-DWI-sekvensen, ble det funnet at det å ha ytterligere diffusjon retninger og samtidig opprettholde bildekvaliteten vil øke innsamlingstiden ut over akseptable grenser for å utføre flere kjøp under hypoksiske utfordring. Således ble diffusjon gradienter anvendt utelukkende langs z-aksen. I tillegg, kan tilpasningen av dyremodeller til en avbildningsprotokoll krever noen modifikasjon - i vårt tilfelle standard cerebral hypoksi-ischemi-modellen ble forandret ved injeksjon av ytterligere fluid (0,2 ml av den radiomerkings) under hypoksiske utfordring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
JM og SW er ansatte i Genentech.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å takke Senter for molekylærbiologi og Genomisk Imaging ved UC Davis og Biomedical Imaging avdelingen ved Genentech. Dette arbeidet ble støttet av en National Institutes of Health bioteknologi Forskning Samarbeid tilskuddet nummer R01 EB00993.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Surgery | |||
| Surgical scissors | Roboz | RS-5852 | |
| Forceps | Roboz | RS-5237 | |
| Hartman mosquito forceps | Miltex | 7-26 | |
| 2x McPherson suturing forceps, 8.5 cm | Accurate Surgical & Scientific Instruments | 4473 | It is useful to reduce the opening width with a band on the forceps used to hold the carotid artery |
| 6-0 silicone coated braided silk suture with 3/8 C-1 needle | Covidien Sofsilk | S-1172 | |
| Homeothermic blanket system | Harvard Apparatus | 507220F | |
| Super glue | (Generic) | ||
| Hypoxia | |||
| Flowmeter for O2 | Alicat Scientific | MC-500SCCM-D | |
| Flometer for N2 | Alicat Scientific | MC-5SLPM-D | |
| O2 meter | MSA | Altair Pro | |
| Imaging | |||
| 7.05 Tesla MRI System | Bruker | BioSpec | 20 cm inner bore diameter with gradient set. Paravision 5.1 software. |
| Volume Tx/Rx 1H Coil, 35 mm ID | Bruker | T8100 | |
| PET system | (In-house) | 4x24 LSO-PSAPD detectors, 10x10 LSO array per detector, 1.2 mm crystal pitch and 14 mm depth. 14 x 14 mm PSAPD. FOV: 60x35 mm. 350-650 keV energy window. 16 nsec timing window. |
|
| Vessel cannulation Dumont forceps | Roboz | RS-4991 | |
| PE-10 polyethylene tubing | BD Intramedic | 427401 | |
| Infusion pump | Braintree Scientific | BS-300 | |
| Animal monitoring & gating equipment | Small Animal Instruments Inc. | Model 1025 | Only respiration monitoring used |
| Animal bed with temperature regulation | (In-house) |
References
- Donnan, G. A., et al. The Lancet. 371, 1614-1623 (2008).
- Turner, R. C., et al. The science of cerebral ischemia and the quest for neuroprotection navigating past failure to future success A review. Journal of Neurosurgery. 118, 1072-1085 (2013).
- Vannucci, R. C., Perlman, J. M. Interventions for perinatal hypoxic ischemic encephalopathy. Pediatrics. 100, 1004-1014 (1997).
- Chicha, L., et al. Stem cells for brain repair in neonatal hypoxia–ischemia. Childs Nervous System. 30, 37-46 (2014).
- Barks, J. D. Current controversies in hypothermic neuroprotection. Seminars in Fetal and Neonatal. 13 (1), 30-34 (2008).
- Jantzie, L. L., et al. Neonatal ischemic stroke a hypoxic ischemic injury to the developing brain. Future Neurology. 3, 99-102 (2008).
- James, A., Patel, V. Hypoxic ischaemic encephalopathy. Paediatrics and Child Health. 24 (9), (2014).
- Levine, S. Anoxic ischemic encephalopathy in rats. The American Journal of Pathology. 36 (1), (1960).
- Vannucci, S. J., et al. Experimental stroke in the female diabetic db db mouse. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 21, 52-60 (2001).
- Sheldon, R., et al. Strain related brain injury in neonatal mice subjected to hypoxia ischemia. Brain Research. 810, 114-122 (1998).
- Adhami, F., et al. Cerebral ischemia hypoxia induces intravascular coagulation and autophagy. American Journal of Pathology. 169 (2), 566-583 (2006).
- Catana, C., et al. Simultaneous in vivo positron emission tomography and magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 3705-3710 (2008).
- Judenhofer, M. S., et al. Simultaneous PET MRI a new approach for functional and morphological imaging. Nature Medicine. 14, 459-465 (2008).
- Wehrl, H. F., et al. Simultaneous PET MRI reveals brain function in activated and resting state on metabolic hemodynamic and multiple temporal scales. Nature Medicine. 19, 1184-1189 (2013).
- Judenhofer, M. S., Cherry, S. R. Applications for preclinical PET MRI. Seminars in Nuclear Medicine. 43 (1), 19-29 (2013).
- Wehrl, H. F., et al. Preclinical and Translational PET/MR Imaging. Journal of Nuclear Medicine. 55, Suppl 2. 11S-18S (2014).
- Heiland, S. Diffusion and Perfusion Weighted MR Imaging in Acute Stroke Principles Methods and Applications. Imaging Decisions MRI. 7, 4-12 (2003).
- Loubinoux, I., et al. Spreading of vasogenic edema and cytotoxic edema assessed by quantitative diffusion and T2 magnetic resonance imaging. Stroke. 28, 419-427 (1997).
- Ouyang, Y., et al. Evaluation of 2 [18F]fluoroacetate kinetics in rodent models of cerebral hypoxia–ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 34 (5), 836-844 (2014).
- Kuhl, D. E., et al. Effects of stroke on local cerebral metabolism and perfusion mapping by emission computed tomography of 18FDG and 13NH3. Annals of Neurology. 8, 47-60 (1980).
- Planas, A. M. Noninvasive Brain Imaging in Small Animal Stroke Models MRI and PET. Neuromethods. 47, 139-165 (2010).
- Marik, J., et al. PET of glial metabolism using 2-18F-fluoroacetate. Journal of Nuclear Medicine. 50 (6), 982-990 (2009).
- Martín, A., et al. Depressed glucose consumption at reperfusion following brain ischemia does not correlate with mitochondrial dysfunction and development of infarction: an in vivo positron emission tomography study. Current Neurovascular Research. 6, 82-88 (2009).
- Carson, R. E. PET physiological measurements using constant infusion. Nuclear Medicine and Biology. 27, 657-660 (2000).
- Greve, J. M. The BOLD effect. Methods in Molecular Biology. 771, 153-159 (2011).
- Flores, J. E., et al. The effects of anesthetic agent and carrier gas on blood glucose and tissue uptake in mice undergoing dynamic FDG-PET imaging sevoflurane and isoflurane compared in air and in oxygen. Molecular Imaging and Biology. 10, 192-200 (2008).
- Delso, G., Ziegler, S. PET MRI system design. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 36, 86-92 (2009).
