Summary
Metoden præsenteres her benytter samtidig positronemissionstomografi og magnetisk resonans. I den cerebrale hypoxi-iskæmi-model, dynamiske ændringer i diffusion og glukosemetabolismen forekomme under og efter skaden. De skiftende og kunne gentages skader i denne model kræver samtidige erhvervelse, hvis meningsfulde multimodale billeddiagnostiske data skal erhverves.
Abstract
Dynamiske ændringer i væv vand diffusion og glukosemetabolismen forekomme under og efter hypoxi i cerebral hypoxi-iskæmi afspejler en bioenergetik forstyrrelse i de ramte celler. Diffusion vægtet magnetisk resonans imaging (MRI) identificerer områder, der er beskadiget, potentielt irreversibelt ved hypoxi-iskæmi. Ændringer i glucoseudnyttelse i det påvirkede væv kan være detekterbart ved positronemissionstomografi (PET) scanning af 2-deoxy-2- (18F) fluor-ᴅ-glucose ([18F] FDG) optagelse. På grund af den hurtige og variable karakter skade i dette dyremodel, skal erhvervelse af begge tilstande af data udføres samtidigt med henblik på at korrelere meningsfuld PET og MR data. Desuden variation mellem dyr indbyrdes i hypoxisk-iskæmisk skade som følge af vaskulære forskelle begrænser evnen til at analysere multimodale data og observere ændringer til en gruppe-kloge tilgang, hvis dataene ikke er erhvervet samtidig i enkelte fag. Fremgangsmåden pilde her gør det muligt at erhverve både diffusion-vægtet MRI og [18 F] FDG uptake data i det samme dyr før, under og efter hypoxiske challenge for at forespørge øjeblikkelige fysiologiske ændringer.
Introduction
Worldwide, slagtilfælde er den anden hyppigste dødsårsag og en væsentlig årsag til invaliditet 1. Den kaskade af biokemiske og fysiologiske hændelser, der opstår under og akut efter et slagtilfælde begivenhed indtræffer hurtigt, og med konsekvenser for væv levedygtighed og i sidste ende resultatet 2. Cerebral hypoxi-iskæmi (HI), hvilket fører til hypoxisk-iskæmisk encefalopati (HIE), skønnes at påvirke op til 0,3% og 4% af fuldbårne og præmature fødsler, henholdsvis 3,4. Dødeligheden hos spædbørn med HIE er cirka 15% til 20%. I 25% af HIE overlevende, der opstår permanente komplikationer som følge af skaden, herunder mental retardering, motoriske underskud, cerebral parese, og epilepsi 3,4. Tidligere terapeutiske interventioner har ikke vist sig værdig til vedtagelse som standard for pleje, og konsensus er endnu ikke nået, at de mest avancerede metoder, baseret på hypotermi, er effektivt at reducere morbiditet 3,5. Andre spørgsmål of påstand omfatter metode til administration af hypotermi og patient udvælgelse 6. Således strategier for neurobeskyttelse og neurorestoration er stadig et frugtbart område for forskning 7.
Rotte modeller af cerebral HI har været tilgængelige siden 1960'erne, og efterfølgende blev tilpasset til mus 8,9. På grund af karakteren af modellen og placeringen af ligeringen, er der iboende variabilitet i resultatet på grund af forskellen i kollateral strømning mellem dyr 10. Som et resultat, disse modeller tendens til at være mere variabel i forhold til tilsvarende modeller som mellem-cerebral arterieokklusion (MCAo). Tidstro måling af fysiologiske ændringer er blevet demonstreret med laser Doppler-flowmetri samt diffusion-vægtet MRI 11. Den observerede intra-animalsk variation i cerebral blodgennemstrømning under og umiddelbart efter hypoxi, samt i akutte resultater, såsom infarktvolumen og neurologiskunderskud, tyder på, at samtidig anskaffelse og korrelation af multimodale data ville være gavnligt.
Nylige fremskridt i samtidige positronemissionstomografi (PET) og magnetisk resonans imaging (MRI) har tilladt for nye muligheder i præklinisk billeddannelse 12-14. De potentielle fordele ved disse hybride, kombinerede systemer til prækliniske anvendelser er blevet beskrevet i litteraturen 15,16. Mens mange prækliniske spørgsmål kan løses ved billeddannelse et enkelt dyr sekventielt eller ved billeddannelse særskilte dyregrupper, visse situationer - for eksempel når hver forekomst af en begivenhed, såsom slagtilfælde manifesterer sig entydigt, med hurtigt udviklende patofysiologi - gør det ønskeligt og endda nødvendig at anvende samtidige måling. Funktionel Neuroimaging giver et eksempel, hvor samtidige 2-deoxy-2- (18F) fluor-ᴅ-glucose ([18F] FDG) PET og blood-oxygen-plan afhængig (fed) MRI er for nylig blevet demonstreret i rotter whisker stimulation undersøgelser 14.
Her viser vi, samtidig PET / MRI-billeddannelse under indtræden af en hypoxisk-iskæmisk slagtilfælde, hvor hjernen fysiologi ikke ved steady state, men i stedet er hurtigt og irreversibelt ændret sig under hypoksiske udfordring. Ændringer i vanddiffusion, målt ved MRI og kvantificeres ved den tilsyneladende diffusionskoefficient (ADC) afledt af diffusion-vægtet imaging (DWI), er blevet godt karakteriseret for slagtilfælde i kliniske og prækliniske data 17,18. I dyremodeller såsom MCAo, diffusion af vand i angrebne hjernevæv falder hurtigt på grund af den bioenergetic kaskade, der fører til cytotoksisk ødem 18. Disse akutte ændringer i ADC er også observeret i gnavere modeller af cerebral hypoxi-iskæmi 11,19. [18F] FDG PET imaging har været anvendt hos patienter med slagtilfælde at vurdere ændringer i den lokale glucose stofskifte 20, og et lille antal in vivo dyreforsøg har også brugt [18 F] FDG 21, herunder i cerebral hypoxi-iskæmi-model 22. Generelt viser disse undersøgelser faldt glukoseudnyttelse i iskæmiske områder, selv om en undersøgelse ved hjælp af en model med reperfusion fundet nogen korrelation af disse metaboliske ændringer med senere infarkt udvikling 23. Dette er i modsætning til diffusion ændringer, der er forbundet med irreversibelt beskadiget kernen 21. Således er det vigtigt at være i stand til at opnå den supplerende oplysninger, der stammer fra [18 F] FDG PET og DWI på en samtidig måde under udviklingen af slagtilfælde, da dette sandsynligvis vil give meningsfulde oplysninger om progression af personskader og virkningerne af terapeutiske indgreb. Den metode, vi beskriver her er let modtagelig for brug med en bred vifte af PET sporstoffer og MR-sekvenser. For eksempel, [15 O] H2O PETbilleddannelse sammen med DWI og perfusion-vægtede billeder (PWI) fra MR kan anvendes til yderligere at udforske udviklingen af den iskæmiske Penumbra og validere de nuværende teknikker inden slaget imaging feltet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle dyr håndtering og procedurer, der er beskrevet heri, og i henhold til Animal Research: Rapportering in vivo forsøg (ankommer) retningslinjer, blev udført i overensstemmelse med protokoller, der er godkendt af Foreningen for Vurdering af akkreditering af Laboratory Animal Care (AAALAC) International akkrediteret Institutional Animal Care og brug Udvalg ved University of California, Davis. Korrekt kirurgi bør ikke medføre tegn på nogen smerte eller ubehag i dyret, men der bør tages, hvis disse tegn er overholdt, herunder administration af analgetika eller i nogle tilfælde, eutanasi ordentlige trin. Den højre side af dyrene blev valgt vilkårligt til den ensidige beskrevne fremgangsmåde.
1. Ensidig arteria carotis communis (CCA) Ligering
- Forbered sterile område med steriliserede kirurgiske værktøjer og materialer placeret bekvemt. Sørg varmepude er opvarmet til 37 ° C med temperaturprobe placeret sikkert på puden. & #160; Sørg for at bruge en steril afdækning til at dække operationsstedet.
- Bedøve dyr (isofluran, 1-3% i luft ved 0,5-1 l / min), og placere dyret i rygleje med halen vender bort. Tjek bedøvelse ved at knibe tåen - dette bør fremkalde nogen reaktion, hvis dyret er korrekt bedøvet. Anvend oftalmologiske salve til øjnene.
- Påfør hårfjerning creme til lavere hals til øvre bryst område ved hjælp 1-2 vatpinde. Vent 1-3 minutter, og derefter fjerne hår og fløde ved hjælp våde gaze eller spritservietter. Vatpind snit med Betadine i en cirkulær måde indefra og ud, og derefter ændre i sterile kirurgiske handsker.
- Anvendelse af kirurgiske sakse, lave et snit på omkring 1 cm langs midterlinien af den nedre hals. Adskil forsigtigt ydre hud fra omgivende fascia anvendelse af kirurgiske sakse.
- Brug to McPherson mikro iris sutur pincet, adskille den rigtige fælles halspulsåren fra fascia, idet man undgår skadelige vener eller disturbing vagus nerve.
- Brug af pincet til højre, eksteriorisere den rette CCA i en stabil position. Påfør flere dråber saltvand for at forhindre udtørring. Passere en passende længde (2-3 cm) af 6-0 silkesutur under højre CCA, og liger hjælp af en dobbelt knude. Eventuelt ligere igen med en anden længde af 6-0 silkesutur.
- Repositionere højre CCA og rense overskydende væske i at åbne ved hjælp af en steril svamp tippet vatpind. Lukke snittet med 6-0 silkesutur. Anvend lidocain topisk op til 7 mg / kg.
- Lad så dyret kan komme fra bedøvelsen indtil ambulant (ca. 30 min) og udføre postoperativ overvågning, indtil dyret er klar til billeddannelse.
2. Forberedelse til Imaging: System og Hardware Kontrol
- Opsætning af hardware og software til MRI og PET-systemer og kontrollere deres funktionalitet som følger. Sørg for at alle fysiske forbindelser er sikre og software-indstillinger hensigtsmæssigt valgt.
- Mount PET-systemet inde i MRI boring, tilpasse PET og MR synsfelt (FOV) der anvender kendte aksiale forskydninger. Monter MRI spolen inde i boringen i PET-system og centrere spolen med PET systemet og MRI magnetcentre.
- Tænd PET elektronik til effekt og bias spænding (Bemærk: skridt vil variere fra instrumentet). Udfør en hurtig (5 min) scanning ved hjælp af en 68 Ge cylinder og kontrollere den resulterende sinogram at sikre alle detektorer er i drift.
- Eventuelt erhverve data, der skal bruges til en PET / MR transformation matrix for co-registrering formål: Fyld en tredimensionel fantom (f.eks tre fyldte kugler) med 200 uCi 18F vandig opløsning og erhverve i 15 min med PET. Anskaf anatomisk MRI data: i Scan vinduet, skal du vælge multi-slice multi-ekko (MSME) sekvens (se tabel 1
- Kontroller infusionspumpe indstillinger og betjening. Indstil pumpen til 4.44 pi per minut, hvilket i 45 min med konstant infusion leverer et totalvolumen på 200 pi, den typiske anbefalede grænse for intravenøs injektion i en 20 g dyr.
- Kontroller varmelegeme, og bekræft, at temperaturen output er tilstrækkelig til at holde dyret varmt (37 ° C). Kontrollér, at temperaturen og respiratorisk overvågning er operationel i forberedelse til dyr placering på dyret sengen.
- Kontroller driften af O 2 og N 2 flowmålere (i 0,5 L / min: O 2 ved 57,2 mg / min og N2 ved 0,575 g / min) ved at slukke på både med trykluftkilden fra og O2 og N2 kilder på. For at undgå risikoen for at beskadige flowmålere, ikke slå dem til uden tilstrækkelig indgangstryk.
- Sørg for, at isofluran vaporizer er tilstrækkeligt fyldt. Før billeddannelse, starte isoflurananæstesi strømning ved 1-2% og 0,5 til 1 L / min.
- Forbered animalsk seng ved at sikre, at bedøvelsen, åndedrætsorganerne pad, og varmesystemer er placeret sikkert og funktionelle. For yderligere PET / MR co-registrering nøjagtighed, referencemærker markører (f.eks kapillarrør fyldt med radioaktivt sporstof i en lignende koncentration som injiceres til billeddannelse) kan fastgøres til dyret seng inden for synsfeltet.
3. Imaging arbejdsgang
Efter alle nødvendige kontrol udstyr er afsluttet, skal du fortsætte til billeddannelse på følgende måde:
- Bedøver dyret med isofluran og indsæt halevenen kateteret (28 G nål, PE-10 rør mindre end 5 cm) fyldt med hepariniseret saltvand (0,5 ml heparin, 1000 USP / ml, i 10 ml saltvand). Warming dyret og / eller hale kan forbedre kateter indsættelse nøjagtighed. Eventuelt placere en dråbe cyanoacrylat klæbemiddel på insertionsstedetat sikre drop.
- Overfør dyret for tilberedt dyrefoder seng. Sørg for, at dyrets hoved er sikker, med øvre fortænder sikret ved tand bar og øre barer på plads, hvis der anvendes.
- Anvend oftalmologiske salve til øjnene for at forhindre udtørring. Indsæt rektal sonde termometer. Sørg for, at temperaturen og åndedræt aflæsninger er funktionelle.
- Tegn radiotraceren dosis (ca. 600 uCi i 200 pi), der skal injiceres i hepariniseret PE-10 rør af passende længde - ca. 3 m for PE-10 rør, og et volumen på 200 pi. Slut den ene ende af dette rør til infusionspumpe sprøjten, og den anden til halevenen kateteret linje, pas på ikke at skabe punkteringer i slangen.
- Skub dyret sengen fremad ind i boringen i magneten, hvilket gør sikker på ikke at forstyrre placeringen af MRI spolen og nogen linjer eller kabler, især anæstesi slangen. Sikre, at midten af hjernen er på linie med centrene af MRI spole, PET-system, og MR-magnet.
- Udfør tuning og matchning af MRI spolen ved at dreje justeringsgrebene på spolen, hvilket minimerer impedans (check coil specifikationer) og frekvens (300 MHz for 1H 7 Tesla) mismatches ved at observere visning af høj effekt forforstærker.
- (MRI) Efter tuning og matchning, erhverve en spejder billede: Vælg et RARE TriPilot sekvens og køre sekvensen fra Scan vinduet. Kontroller positionering af dyret, gentage trin 3.5 og 3.6 som nødvendigt. Nulstil mellemlæg til nul.
- (MRI) erhverve en lokaliseret, point-løst spektroskopiske scanning (PRESS) i et volumen i hjernen: Kør en PRESS sekvens (se tabel 1) i et rektangulært volumen med dimensionerne 3,9 mm × 6 mm × 9 mm. Tjek vand linjebredde ved hjælp af makro-kommandoen CalcLineWidth. Hvis den fulde bredde ved halv-maksimum (FWHM) værdi er acceptabel (fx 0,2 ppm), skal du fortsætte til trin 3.10. Hvis ikke, skal du fortsætte til trin 3.9.
- (MRI) erhverve et felt kort: Kør en FieldMap sekvens (se tabel 1). Brug de resulterende data for en multi-vinkel projektion mellemlæg (MAPSHIM) ved at køre makroen kommandoen MAPSHIM og vælge lineære og anden orden (z 2) lokale justeringer. Gentag trin 3.8.
- (MRI) Placer skive plan for DWI scanning (se tabel 1): ved hjælp af geometri Editor, at købet FOV er positioneret til at opnå den ønskede mængde af interesse i hjernen. Hvis den resulterende skive planen er justeret som ønsket, kopiere denne skive plan Scan vinduet for alle efterfølgende DWI scanninger. Begynd erhvervelsen.
- (PET) Med PET købet forberedt og klar til at begynde, starte infusionspumpe. Efter det forudbestemte forsinkelse, hvor saltvand fra kateteret er blevet injiceret, begynder PET købet (se tabel 1) med henblik på at fange optagelse af radiotraceren. Overvåg impulshastigheden og se efter gradvis stigningi tællinger indikerer en vellykket injektion.
- Efter 10-15 min, indlede hypoxiske udfordring samtidig med trin 3.12. For at starte hypoxisk udfordring, slukke medicinsk luftstrøm og straks tænde O 2 og N 2 flowmålere med de forudbestemte indstillinger til at levere 8% ilt og 92% nitrogen, og reducere isofluran til 0,8%. Må ikke tænde flowmålere uden input pres.
- (MRI) På samme tid som trin 3.12, begynder DWI erhvervelse forberedt i trin 3.10 (scan "H1").
- (MRI) Begynd DWI erhvervelse (scan "H2"), fremstillet i trin 3.10, umiddelbart efter scanningen H1 er afsluttet. Afslut hypoxisk udfordring ved at slukke flowmålere, genoprette medicinsk luftstrøm, og returnere isofluran koncentration til en passende værdi baseret på fysiologiske overvågning.
- (MRI) erhverve en post-hypoksi DWI scanning forberedt i trin 3.10. Sluk infusionspumpen efter denne scanning er afsluttet.
- (MRI) Hent Anatomical billeder i aksiale og sagittalplanet. I Scan vinduet - vælg MSME sekvens (se tabel 1). Ved hjælp af Geometri Editor, at erhvervelsen FOV dækker hjernen.
- Fjern dyr, vende tilbage til buret, når ambulant og overvåge for tegn på morbiditet, om nødvendigt med administration af CO 2 efterfulgt af cervikal dislokation som en sekundær metode euthanizing.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 viser resultatet af en korrekt ligering af arteria carotis communis, før lukning af såret med 6-0 silkesutur.
Ved denne fremgangsmåde, data fra billeddannelse er stærkt afhængig af den tidsmæssige placering af forsøget, som igen dikterer og er også dikteret af eksperimentelle begrænsninger, herunder billedoptagelse ordninger og opsætning af udstyr. Disse og andre overvejelser er nærmere i diskussionen afsnit. Med protokollen beskrevet heri fysiske opsætningen af udstyret (figur 2A) giver mulighed for multimodal billedoptagelse uafbrudt før, under og efter (figur 2B) hurtig indførelse af den hypoxiske challenge (figur 2C).
I denne dyremodel, som med mange iskæmisk slagtilfælde modeller, ændringer i diffusion er påviselige hurtigt efter fornærmelse (se figur 3A for en representative eksempel). Som vores metode ikke fundamentalt ændre den cerebrale HI model kan diffusions ændringer gengives i en robust måde - Figur 3B viser de skiftende procent forskelle i ADC z (ADC i z-retningen) mellem den kontralaterale (ikke-okkluderet, venstre) og ipsilaterale (okkluderet, højre) sider af hjernen,% LR, (n = 6 for scanning H2, n = 5 for alle andre tidspunkter). Som forventet, ADC værdier på okkluderede side af hjernen fald som skaden skrider frem. Figur 3C viser et eksempel koronale udsnit fra DWI-sekvensen, samt en sagittale udsnit viser den begrænsede aksiale udstrækning af FOV (8 mm) til sekvensen anvendt. Oplysninger om begrænsninger pålagt ekko plane billeddannelse (EPI) sekvens, der anvendes til DWI er beskrevet i Discussion afsnit. Kort sagt, billedkvalitet opnås med den foreslåede ramme imaging er afhængig af systemets egenskaber, og EPI-baserede DWI sekvenser i particular kan udsætte suboptimal hardware betingelser eller erhvervelse parametre (se figur 5B). Det blev observeret signifikante forskelle mellem baseline og efterfølgende ADC% LR værdier (p <0,05, uparret t-test) tyder på, at dette er en robust parameter til at afhøre bruge vores eksperimentelle opsætning.
I takt med ændringer i ADC, blev der observeret forskelle halvkugleformede i optagelse af [18F] FDG efter starten hypoxisk udfordring og under scanningen H2 (% gennemsnitlig 11 LR forskel, n = 3). I to af tre tilfælde ipsilaterale [18F] FDG-optagelse nedsat i forhold til kontralaterale optagelse efter hypoxi (se figur 4 for et repræsentativt eksempel), selv om dette ikke var sandt i alle tilfælde sandsynligvis på grund af variabilitet dyr. Figur 5A viser et eksempel, hvor Den relative forskel i [18F] FDG-optagelse mellem de to halvkugler var ikke som forventet i et dyr (blå). Figur5A viser også et eksempel, hvor, medens [18F] FDG-optagelse var som forventet efter hypoxi, dyret døde ved slutningen af scanningen H2.
Figur 1. Eksempel på højre normale carotidarterie ligeret med 6-0 silkesutur. Dyret er i liggende stilling med hovedet rettet mod bunden af billedet. Området omkring snittet er depileret, og snittet bliver holdt åben med en pincet til visualisering. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. (A) repræsentant diagram over den fysiske arrangement af udstyr. PET indsatsen er anbragt i boringen af magneten, og MRI spolen på sin side er anbragt i boringen af PET indsatsen. Dyret seng, sammen med fysiologisk overvågning (respiration pad ikke vist), anæstesi linje, og IV-kateter løber ind i boringen som vist. Den stiplede ring betegner en sikkerhedsmargen for omstrejfende magnetfelt -. Kan det være nødvendigt at placere udstyr med magnetiske komponenter uden for denne region, men inden for MRI rummet (efter alle sikkerhedsforanstaltninger) (B) Diagram opsummerer den tidsmæssige progression af eksperimentet . (C) Repræsentative resultater af umiddelbare ændringer i O 2-niveau leveret til dyret umiddelbart efter starten af hypoxi udfordring. Inden for ca 1 min, kan opnås hypoxiske betingelser, som målt ved en O 2 meter anbragt i en 0,5 L induktion box (ikke vist), in-line med anæstesi system. rge.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. (A) Eksempel på parametriske ADC z kort erhvervet ved baseline og gennem post-hypoksi. (B) Plot viser% LR forskel i ADC z fra baseline til post-hypoxi. Stjerner angiver en signifikant forskel (p <0,05, t-test uparret) sammenlignet med basisværdien. Fejlsøjler repræsenterer +/- én standardafvigelse. (C) Eksempel på en EPI-DWI erhvervelse (aksiale, sagittale og 3D-visninger for at vise omfanget af FOV). Klik her for at se en større version af dette tal.
/ftp_upload/52728/52728fig4.jpg "/>
Figur 4. (A) koronal og tværgående skive af et dyr viser [18 F] FDG optagelse. PET billedet er i forgrunden og er registreret og fusioneres med en anatomisk MRI billede i baggrunden for visualisering. PET data summeres på tværs af alle rammer. (B) I det samme dyr, [18 F] FDG tid aktivitet kurven for den kontralaterale hemisfære (blå) og ipsilaterale hemisfære (rød). Klik her for at se en større version af dette tal .
Figur 5. (A) Tid Aktivitet kurver af kontralateral (fast) og ipsilaterale (punkteret) halvkugle [18 F] FDG-optagelse - vises på den samme akse er eksempler på en uventet [18 F] FDG tidaktivitet kurve (blå) og dyrs død i slutningen af H2 (ved 45 min, grøn). (B) ghosting artefakter på grund af potentielle hardware-baserede RF fejl. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Imaging acquistion Parametre og hardware Acquisition | |
| Diffusion MRI (EPI-DWI) | |
| Overtagelsen tid | 15 min |
| Matrix størrelse | 256 x 64 |
| Skiver | 10 |
| FOV | 30 x 14 x 8 mm |
| Voxelstørrelsen | 0,117 x 0,219 x 0,8 mm |
| Effektiv spektral båndbredde | 150 kHz |
| TE | 41 ms |
| TR | 3.000 ms |
| Gennemsnit | 6 |
| k-rumsegmenter | 16 |
| b-værdier | 0, 400, 800 sec / mm 2 |
| Anatomiske MRI (MSME) | |
| Opsamlingstid | 5 min |
| Matrix størrelse | 256 x 256 |
| Skiver | 16 |
| FOV | 30 x 22 x 12,8 mm |
| Voxelstørrelsen | 0,117 x 0,086 x 0,8 mm |
| TE | 14 ms |
| TR | 1.000 ms |
| Gennemsnit | 1 |
| Gentagelser | 1 |
| Punkt-Løst Spektroskopiske Scan (PRESS) | 15 s |
| Voxelstørrelsen | 3,9 x 6 x 9 mm |
| TE | 20 msek |
| TR | 2.500 ms |
| Gennemsnit | 6 |
| FieldMap | |
| Opsamlingstid | 1 min 21 sek |
| 1. TE | 1,49 msek |
| 2. TE | 5.49 ms |
| TR | 20 msek |
| Gennemsnit | 1 |
| PET Acquisition, histogram, og genopbygning parametre | |
| Tracer | [18F] FDG |
| Infusionshastighed | 4.44 pi / min |
| Opsamlingstid | 60 min |
| Billedstørrelse pr skive | 128 x 128 |
| Skiver | 99 |
| Voxelstørrelsen | 0,4 x 0,4 x 0,6 mm |
| Dynamisk indramning | 12 x 300 sek |
| Genopbygning typen | OS-MLEM (6 delmængder, 6 iterationer) |
Tabel pulssekvens parametre 1. MR for scanninger, der er beskrevet i protokollen, og PET-erhvervelse, histogram og genopbygning parametre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samtidig anatomisk MRI, og dynamisk DWI-MR og [18 F] FDG PET data lykkedes erhvervet fra forsøgsdyr under hypoksisk udfordring følgende fælles halspulsåren ligation. Dette repræsenterer en kraftig eksperimentel paradigme for multimodal billeddannelse af den hastigt udviklende patofysiologi i forbindelse med iskæmiske fornærmelser i hjernen og kunne let udvides til at studere andre PET radioaktive sporstoffer (f.eks markører af neuroinflammation) og MRI-sekvenser, samt virkningen af interventionelle strategier under eller kort efter iskæmisk udfordring.
For vellykkede udførelse af samtidige PET / MR scanning under hypoksisk udfordring i den cerebrale HI-modellen, skal logistikken overvejes, og de metoder, justeres i overensstemmelse hermed. Faktorer, som kan berøre den tidsmæssige placering af forsøget omfatter, men er ikke begrænset til: 1) kilde til radioaktivitet - afhængigt af radiotracer bruges, halveringstid af radionuklid, og specifikke krav aktivitet, kan det påvirke det mulige samlede antal dyr afbildet; 2) værelse layout - dette kan påvirke længden af slangen brugt og dermed den injicerede dosis, eller kan kræve yderligere skridt til at opretholde injicerede dosis. Dette kan også have en lille effekt på tid til at nå ligevægt for gasblandinger i anæstesi slange; 3) dyr vægt - nogle institutioner kan pålægge en grænse for den samlede injicerede volumen for overlevelse procedurer (f.eks mindre end 1% af kropsvægten), til gengæld potentielt påvirke indstillinger slange længde og infusionspumpe sats; 4) sporstof levering - en bolus, infusion eller bolus plus infusion levering kan anvendes, som bestemt af radiotracer farmakokinetik og forventede observerbare ændringer - de to sidstnævnte er især nyttige til at følge dynamiske ændringer 24.
Design af PET og MRI billede erhvervelse protokoller, isærly i betragtning af den begrænsede tid med at arbejde, er en anden afgørende faktor i dette eksperiment. Hvis du bruger et ekko-plane billeddannelse (EPI) -baseret DWI sekvens (EPI-DWI) som præsenteres her, omfatter vigtige overvejelser scanne varighed, synsfelt, og diffusion gradient vægtning og retninger. Mens justering af disse parametre, skal iboende problemer med EPI-DWI også tages op, herunder ghosting, signal frafald og gradient begrænsninger pligt cyklus. Brugen af respiratoriske gating kan bruges til at behandle spørgsmål på grund af bevægelse. Tabel 1 beskriver MRI erhvervelse parametre, der anvendes sammen med oplysninger om PET-hardware, erhvervelse parametre og sporstof levering parametre. Til kvantificering af PET data, skal anvendes detektor normalisering. Selv om det ikke sker i vores tilfælde, kan tages yderligere skridt til at opnå mere nøjagtig kvantificering, herunder dæmpning korrektion ved hjælp af segmenterede MRI data og scatter korrektion. Førstnævnte er måske ikke nødvendig i små dyr såsom than graden af dæmpning er lille og kan forklares ved hjælp af lignende størrelse kalibrering objekter. Afhængigt af den MRI sekvens anvendes, kan det også være nødvendigt at overveje eventuelle væsentlige BOLD virkninger på T2 * 25. Desuden kan virkningen af bedøvelsesmiddel og bæregas på blodsukkeret skal overvejes ved brug af [18F] FDG 26.
Kontrollen bør udføres for at sikre at der ikke er nogen væsentlig indbyrdes interferens mellem PET og MRI-systemer, eller mellem de billeddannende systemer og anden instrumentering, der anvendes i forsøget. Det er vores erfaring, var der ingen signifikant forskel i PET eller MR billedkvaliteten, når erhvervet individuelt eller samtidigt, selv om vi har observeret midlertidigt tab i tællinger i PET systemet på grund af falske signaler i PSAPD-baserede detektorer induceret ved hurtig gradient switching, en effekt, der er blevet bemærket af andre 12. Et andet spørgsmål observerede RF ikkeISE fra infusionspumpen strømforsyning foruroligende PET-detektor erhvervelse resulterer i tab af data. Dette blev løst ved at erstatte den oprindelige vekselstrømsadapter med et laboratorium kvalitet strømforsyning. Flere PET / MR hardware konfigurationer er beskrevet i litteraturen, og kan være nødvendigt, at justere denne protokol til at rumme unikke opsætninger 12,27.
Den billeddannende workflow kan ændres for at optimere betingelserne for forskellige MRI puls sekvenser eller PET sporstoffer og erhvervelse ordninger. For eksempel, er blevet vist alvorligheden af kvæstelser i den cerebrale HI model, der skal moduleres af, blandt andre betingelser, varigheden af hypoxi 11. Forøgelse af længden af den hypoxiske udfordring kan tillade erhvervelse af DWI data finere tidsopløsning, eller give mulighed for mere robuste halvkugleformede optagelse sammenligninger til PET sporstoffer. Andre aspekter af protokollen kan justeres på grundlag af tilgængelige ressourcer og personale. ForEksempelvis kan operationer blive forskudt og parallelt med billeddannende sessioner med henblik på at reducere variationen i tiden mellem CCA ligering og hypoxi.
I denne protokol, samtidig PET og MR erhvervelse, ud over den fysiologiske udfordring, pålægger gensidige grænser for hinanden i form af timing. At optimere EPI-DWI-sekvensen, blev det konstateret, at der yderligere diffusions- retninger og samtidig opretholde billedkvaliteten vil øge erhvervelsestiden over de acceptable grænser til udførelse af flere erhvervelser under hypoxiske udfordring. Således blev diffusion gradienter anvendes alene langs z-aksen. Desuden kan tilpasningen af dyremodeller til et billeddannende protokollen kræve nogle ændringer - i vores tilfælde standard cerebral hypoxi-iskæmi-model blev ændret ved injektion af yderligere fluid (0,2 ml af radiotraceren) under hypoxiske udfordring.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
JM og SW er medarbejdere i Genentech.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende Center for Molekylær og Genomisk Imaging på UC Davis og Biomedicinsk Imaging afdeling på Genentech. Dette arbejde blev støttet af en National Institutes of Health Bioengineering Research Partnership tilskud 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.
- 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.
- Levine, S.
- 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.
- 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.
