Summary
De hier gepresenteerde methode gebruikt simultane positron emissie tomografie en magnetische resonantie beeldvorming. In de cerebrale hypoxie-ischemie model, dynamische veranderingen in diffusie en glucosemetabolisme optreden tijdens en na beschadiging. De evoluerende en reproduceerbare schade in dit model vereist gelijktijdige aankoop als zinvolle multimodale beeldvorming gegevens moeten worden verworven.
Abstract
Dynamische veranderingen in de verspreiding weefsel water en glucosemetabolisme optreden tijdens en na de hypoxie in cerebrale hypoxie-ischemie als gevolg van een bio-energetica verstoring in aangetaste cellen. Diffusie gewogen magnetische resonantie imaging (MRI) gebieden identificeert die beschadigd, mogelijk irreversibel door hypoxie-ischemie. Veranderingen in glucose gebruik in het aangetaste weefsel kan detecteerbaar positron emissie tomografie (PET) beeldvorming van 2-deoxy-2- (18 F) fluor-ᴅ-glucose ([18F] FDG) opname zijn. Door de snelle en variabele aard van de verwonding in het diermodel dienen ontwikkeling van beide wijzen van gegevens tegelijkertijd worden uitgevoerd om zinvolle correleren PET en MRI gegevens. Daarnaast, inter-dier variabiliteit in de hypoxische-ischemische letsel door vasculaire verschillen beperkt de mogelijkheid om te analyseren multimodale gegevens en veranderingen waarnemen om een groep verstandige aanpak als de gegevens niet tegelijkertijd wordt verkregen in afzonderlijke vakken. Werkwijze pwoordigd Hier maakt het mogelijk om zowel diffusie-gewogen MRI en [18F] FDG opnamegegevens te verkrijgen in hetzelfde dier voor, tijdens en na de hypoxische challenge om directe fysiologische veranderingen ondervragen.
Introduction
Wereldwijd is beroerte de tweede belangrijkste doodsoorzaak en de belangrijkste oorzaak van invaliditeit 1. De cascade van biochemische en fysiologische gebeurtenissen die zich voordoen tijdens en acuut na een beroerte gebeurtenis plaatsvindt snel en met gevolgen voor de levensvatbaarheid van het weefsel en uiteindelijk uitkomst 2. Cerebrale hypoxie-ischemie (HI), wat leidt tot hypoxische-ischemische encefalopathie (HIE), is naar schatting tot 0,3% en 4% van de voldragen en premature geboortes, respectievelijk 3,4. Het sterftecijfer bij kinderen met HIE ongeveer 15% tot 20%. In 25% van de HIE overlevenden, blijvende complicaties ontstaan als gevolg van het letsel, waaronder mentale retardatie, motorische stoornissen, hersenverlamming en epilepsie 3,4. Verleden therapeutische interventies hebben niet bewezen waardig goedkeuring standaard van zorg, en consensus moet nog worden bereikt dat de meest geavanceerde methoden, gebaseerd op hypothermie, effectief morbiditeit 3,5 verminderen. O andere kwestiesf stelling omvatten wijze van toediening van onderkoeling en selectie van patiënten 6. Zo strategieën voor neuroprotectie en herstel van zenuwen zijn nog steeds een vruchtbaar gebied voor onderzoek 7.
Ratmodellen van cerebrale HI zijn beschikbaar sinds 1960, en vervolgens aangepast aan muizen 8,9. Vanwege de aard van het model en de locatie van de ligatie er inherente variabiliteit van de resultaten als gevolg van verschil in collaterale stroom tussen dieren 10. Als gevolg van deze modellen neiging variabeler in vergelijking met soortgelijke modellen zoals middelste cerebrale arterie occlusie (MCAo). Real time meting van fysiologische veranderingen aangetoond laser Doppler flowmetrie en diffusie-gewogen MRI 11. De waargenomen intra-dieren variabiliteit in cerebrale bloedstroom tijdens en onmiddellijk na hypoxie, en bij acute resultaten zoals infarct volume en neurologischetekort, suggereren dat gelijktijdige aankoop en correlatie van multimodale gegevens gunstig zou zijn.
Recente ontwikkelingen in gelijktijdige positron emissie tomografie (PET) en magnetische resonantie imaging (MRI) hebben geleid tot nieuwe mogelijkheden in preklinische beeldvorming 12-14. De potentiële voordelen van deze hybride gecombineerde systemen voor preklinische toepassingen zijn beschreven in de literatuur 15,16. Wanneer bijvoorbeeld elke instantie van een gebeurtenis zoals beroerte manifesteert uniek, snel veranderende pathofysiologie - - Terwijl vele preklinische vragen van het afbeelden van een individueel dier achtereenvolgens of door beeldvorming afzonderlijke diergroepen bepaalde situaties kan worden aangepakt, wenselijk en zelfs noodzakelijk gelijktijdige metingen gebruiken. Functionele neuroimaging biedt een voorbeeld, waarbij gelijktijdig 2-deoxy-2- (18 F) fluor-ᴅ-glucose ([18 F] FDG) PET en Blood zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) MRI is onlangs aangetoond in de rat snorhaar stimulatie bestudeert 14.
Hier tonen we simultane PET / MRI beeldvorming tijdens begin van een hypoxisch-ischemische beroerte waarin hersenfysiologie niet bij steady state, maar in plaats daarvan wordt snel en onomkeerbaar veranderen tijdens hypoxie uitdaging. Veranderingen in water diffusie, zoals gemeten met MRI en gekwantificeerd door de schijnbare diffusiecoëfficiënt (ADC) afkomstig van diffusie-gewogen beeldvorming (DWI), is goed gekarakteriseerd voor beroerte in klinische en preklinische gegevens 17,18. In diermodellen, zoals MCAo, diffusie van water in de getroffen hersenweefsel daalt snel als gevolg van de bio-energetische cascade die leidt tot cytotoxisch oedeem 18. Deze acute veranderingen in de ADC zijn ook waargenomen in knaagdiermodellen van cerebrale hypoxie-ischemie 11,19. [18F] FDG PET imaging is gebruikt in patiënten met een beroerte wijzigingen in de lokale gl beoordelenucose metabolisme 20, en een klein aantal van de in vivo onderzoek bij dieren hebben ook gebruikt [18 F] FDG 21, ook in de cerebrale hypoxie-ischemie model 22. In het algemeen tonen deze studies verminderde glucose gebruik in ischemische regio's, hoewel een studie met behulp van een model met reperfusie vonden geen correlatie van deze metabole veranderingen met latere infarct ontwikkeling 23. Dit in tegenstelling tot diffusie veranderingen die zijn geassocieerd met het onherstelbaar beschadigd kern 21. Het is dus belangrijk om de aanvullende informatie in de ontwikkeling van een beroerte afgeleid van [18F] FDG PET en DWI op een gelijktijdige wijze verkrijgen dat dit waarschijnlijk zinvolle informatie opleveren over de progressie van schade en het effect van therapeutische interventies. De hier beschreven werkwijze gemakkelijk vatbaar is voor gebruik met verschillende PET tracers en MRI-sequenties. Bijvoorbeeld, [15 O] H 2 O PETbeeldvorming met DWI en perfusie-gewogen beelden (PWI) van MRI kan worden gebruikt voor het verder onderzoeken van de ontwikkeling van de ischemische penumbra en bevestig de huidige technieken op het gebied beroerte imaging.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle dierlijke behandeling en procedures hierin beschreven, en volgens de Animal Research: Rapportage in vivo experimenten (KOM) richtlijnen, werden uitgevoerd in overeenstemming met de protocollen door de Vereniging voor de Evaluatie van de Accreditatie van Laboratory Animal Care goedgekeurd (AAALAC) Internationaal geaccrediteerd Institutional Animal Care en gebruik Comite aan de Universiteit van California, Davis. Juiste operatie mag niet leiden tot tekenen van pijn of ongemak in het dier, maar de juiste stappen moeten worden genomen indien deze symptomen worden waargenomen, met inbegrip van toediening van pijnstillers of in sommige gevallen, euthanasie. De rechterkant van de dieren werd willekeurig gekozen voor de eenzijdige beschreven procedure.
1. Eenzijdige halsslagader (CCA) Ligatie
- Bereid steriele veld met gesteriliseerd chirurgische instrumenten en materialen gunstig gepositioneerd. Zorg verwarmingselement wordt verwarmd tot 37 ° C met temperatuurvoeler stevig geplaatst op het kussen. & #160; Zorg ervoor dat u een steriel laken te gebruiken om de chirurgische plaats te dekken.
- Verdoven dier (isofluraan, 1-3% in lucht bij 0,5-1 l / min), en plaats dier in een liggende positie met de staart afgekeerd. Controleer verdoving door knijpen de teen - dit moet geen reactie uitlokken als het dier goed is verdoofd. Breng oogzalf voor de ogen.
- Solliciteer ontharen crème op lagere nek naar borst gebied met behulp van 1-2 wattenstaafjes. Wacht 1-3 min en verwijder het haar en room met nat gaas of alcoholdoekjes. Wattenstaafje incisie met Betadine in een circulaire manier van binnen naar buiten, en dan veranderen in steriele chirurgische handschoenen.
- Met behulp van chirurgische schaar, maken een incisie van ongeveer 1 cm langs de middellijn van de onderste nek. Scheiden buitenste schil voorzichtig uit omliggende fascia met chirurgische schaar.
- Met behulp van twee McPherson micro iris hechten pincet, scheiden de juiste gemeenschappelijke halsslagader van fascia, zorg ervoor dat schadelijke aderen of verstoring, te voorkomenbing de nervus vagus.
- Met behulp van de tang aan de rechterkant, exterioriseren de juiste CCA in een stabiele positie. Breng enkele druppels zoutoplossing om uitdroging te voorkomen. Langs een geschikte lengte (2-3 cm) van 6-0 zijden hechtdraad onder de juiste CCA en ligeren met een dubbele platte knoop. Optioneel afbinden opnieuw met een tweede lengte van 6-0 zijden hechtdraad.
- Herpositioneren juiste CCA en het reinigen van overtollige vloeistof uit de opening van het gebruik van een steriele spons getipt wattenstaafje. Sluit de incisie met 6-0 zijden hechtdraad. Breng topisch lidocaïne tot 7 mg / kg.
- Laat het dier te herstellen van anesthesie tot ambulante (ongeveer 30 min) en het uitvoeren van post-operatieve bewaking totdat dier is klaar voor de beeldvorming.
2. Voorbereiding voor Imaging: Systeem en Hardware Controles
- Het opzetten van hardware en software voor de MRI en PET-systemen en controleren hun functionaliteit als volgt. Zorg ervoor dat alle fysieke verbindingen zijn veilig en software-instellingen zijn geschikt gekozen.
- Mount PET systeem in de MRI-boring, het uitlijnen van de PET en MRI gezichtsveld (FOV) centra met bekende axiale offsets. Monteer de MRI-spoel in de boring van de PET-systeem en centreren de spoel met de PET-systeem en MRI magneet centra.
- Zet PET elektronica voor macht en voorspanning (Opmerking: stappen zullen verschillen per instrument). Voer een korte (5 min) scan met een 68 Ge cilinder en controleer de resulterende sinogram te zorgen dat alle detectoren operationeel zijn.
- Eventueel te gebruiken gegevens voor PET / MRI transformatiematrix voor co-registratiedoeleinden verkrijgen: Vul een driedimensionale fantoom (bijvoorbeeld drie gevulde bolletjes) met 200 uCi 18 F waterige oplossing en het verwerven gedurende 15 min met PET. Verwerven anatomische MRI-gegevens: in de Scan Controle venster selecteert u de multi-slice multi-echo (MSME) reeks (zie tabel 1
- Controleer de infuuspomp instellingen en bediening. Stel de pomp 4,44 gl per minuut, die 45 minuten van constante infusie levert een totaal volume van 200 pl, typisch aanbevolen grens voor intraveneuze injectie in een dier 20 g.
- Controleer de kachelgebruik en bevestigen dat de temperatuur output is voldoende om het dier warm (37 ° C) houden. Controleer of de temperatuur en de bewaking van de luchtwegen is operationeel in voorbereiding voor dierlijke plaatsing op het dier bed.
- Controleer de werking van de O 2 en N 2 flowmeters (bij 0,5 L / min: O 2 bij 57,2 mg / min en N2 bij 0,575 g / min) door het apparaat zowel met de persluchtbron buiten en O 2 en N 2 bronnen. Om het risico op beschadiging van de flowmeters te voorkomen, niet zet ze op zonder voldoende inbreng druk.
- Zorg ervoor dat isofluraan vaporizer voldoende gevuld. Vóór imaging, beginnen isofluraananesthesie stroomsnelheid 1-2% en 0,5 tot 1 l / min.
- Bereid dier bed door ervoor te zorgen dat de anesthesie, respiratoire pad, en verwarming systemen veilig en functioneel zijn gepositioneerd. Voor aanvullende PET / MRI co-registratieprecisie, ijkmarkeringen (bijvoorbeeld capillaire buizen gevuld met radiotracer in een vergelijkbare concentratie geïnjecteerd voor beeldvorming) kan binnen het gezichtsveld aan het dier bevestigd bed.
3. Imaging workflow
Nadat alle benodigde apparatuur controles zijn voltooid, gaat u verder met beeldvorming als volgt:
- Verdoven van het dier met isofluraan en steek staartader katheter (28 G naald, PE-10 buis minder dan 5 cm) gevuld met gehepariniseerde zoutoplossing (0,5 ml heparine, 1000 USP / ml, in 10 ml zoutoplossing). Opwarming van het dier en / of de staart kan katheter inbrengen nauwkeurigheid te verbeteren. Eventueel een druppel cyanoacrylaat lijm op de plaats van insertieaan de IV lijn te beveiligen.
- Breng het dier naar de voorbereide dier bed. Zorg ervoor dat het hoofd van het dier is veilig, met de bovenste snijtanden beveiligd door de tand bar en oor bars zijn plaats als wordt gebruikt.
- Breng oogzalf ogen om uitdroging te voorkomen. Plaats rectale sonde thermometer. Zorg ervoor dat de temperatuur en de ademhaling lezingen zijn functioneel.
- Trek de radiotracer dosis (ongeveer 600 uCi in 200 pl) wordt geïnjecteerd in gehepariniseerde PE-10 slang van de juiste lengte - ca. 3 m voor PE-10 buis en een volume van 200 pl. Sluit het ene uiteinde van deze slang aan op de infuuspomp spuit, en de andere aan de staart ader katheter lijn, zorg ervoor dat u gaatjes in de buis te creëren.
- Schuif het dier bed voren in de boring van de magneet, waardoor ervoor dat niet de positionering van de MRI-spoel en eventuele leidingen of kabels, in het bijzonder de anesthesie buis verstoren. Ervoor zorgen dat het centrum van de hersenen is uitgelijnd met de middelpunten van de MRI coil, PET-systeem, en MRI magneet.
- Voer tuning en matching van de MRI-spoel door het draaien van de instelknoppen van de spoel minimaliseert impedantie (controleer coil specificaties) en frequentie (300 MHz gedurende 1 uur bij 7 Tesla) mismatches door naar het beeldscherm van de high power voorversterker.
- (MRI) Na afstemming en matching, verwerven beeld scout: selecteer een ZELDZAME TriPilot volgorde en draaien de volgorde van de Scan Controle venster. Controleer positionering van het dier, het herhalen van stappen 3,5 en 3,6 nodig. Reset shims naar nul.
- (MRI) verwerven van een gelokaliseerde punten opgelost spectroscopische scan (PRESS) in een volume binnen de hersenen: Voer een PRESS sequentie (zie tabel 1) in een rechthoekig volume met afmetingen 3,9 mm x 6 mm x 9 mm. Controleer water lijndikte met de macro-opdracht CalcLineWidth. Indien de breedte op halve maximum (FWHM) aanvaardbaar is (bijvoorbeeld 0,2 ppm) verder met stap 3,10. Zo niet, ga dan naar stap 3.9.
- (MRI) Het verwerven van een veld map: Voer een FieldMap reeks (zie tabel 1). Gebruik de verkregen gegevens voor een multi-angle projectie shim (MAPSHIM) door het uitvoeren van de macro-opdracht MAPSHIM en het selecteren van lineaire en tweede orde (z 2) lokale aanpassingen. Herhaal stap 3.8.
- (MRI) Plaats de slice plan voor de DWI-scan (zie tabel 1): met behulp van de Geometry Editor, ervoor te zorgen dat de overname FOV is gepositioneerd om het gewenste volume van belang in de hersenen te verwerven. Als de resulterende slice plan wordt aangepast zoals gewenst, kopieer deze plak plan in de Scan Controle Venster voor alle volgende DWI scans. Begin overname.
- (PET) Met de PET overname voorbereid en klaar om te beginnen, start de infuuspomp. Na de vooraf bepaalde vertraging waarbij zoutoplossing de catheter werd geïnjecteerd, begint de PET acquisitie (zie tabel 1) om de binnenkomst van radiotracer vangen. Toezien op de telling tarief en op zoek naar een geleidelijke verhogingin tellingen indicatief voor een succesvolle injectie.
- Na 10-15 min, inleiding van de hypoxische uitdaging gelijktijdig met stap 3.12. Om hypoxische challenge te starten, schakelt u medische luchtstroom en onmiddellijk inschakelen O 2 en N 2 flowmeters met de vooraf bepaalde instellingen tot 8% zuurstof en 92% stikstof te leveren, en het verminderen van isofluraan tot 0,8%. Niet de macht over flowmeters zonder input druk.
- (MRI) op hetzelfde moment als stap 3,12, beginnen DWI acquisitie bereid in stap 3,10 (scan "H1").
- (MRI) Begin DWI acquisitie (scan "H2"), bereid in stap 3.10, onmiddellijk na het scannen H1 is voltooid. Beëindigen hypoxische uitdaging door het uitschakelen van flowmeters, het herstel van medische luchtstroom, en het terugkeren isofluraan concentratie tot een geschikte waarde op basis van fysiologische monitoring.
- (MRI) Het verwerven van een post-hypoxie DWI scan bereid in stap 3.10. Schakel de infuuspomp nadat deze scan is voltooid.
- (MRI) Acquire anatomical beelden in de axiale en sagittale vlakken. In het scannen Controle Window - selecteer de MSME volgorde (zie tabel 1). Met behulp van de Geometry Editor, ervoor zorgen dat de overname FOV bestrijkt de hersenen.
- Verwijder dier terug naar kooi bij ambulante en toezien op tekenen van morbiditeit, euthanizing eventueel met toediening van CO 2, gevolgd door cervicale dislocatie als secundaire methode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 toont het resultaat van een correcte ligatie van de halsslagader voorafgaand aan het sluiten van de wond met 6-0 zijden hechtdraad.
In deze methode, gegevens van beeldvorming sterk afhankelijk van de tijdelijke ordening van het experiment, dat op zijn beurt bepaalt en wordt eveneens geboden experimentele beperkingen waaronder beeldacquisitie's en apparatuur setup. Deze en andere overwegingen worden verder onderzocht in het hoofdstuk discussie. Met de hierin beschreven protocol, de fysieke opstelling van de apparatuur (Figuur 2A) maakt een ononderbroken multimodale beeldacquisitie vóór, tijdens en na (figuur 2B) snelle introductie van de hypoxische challenge (figuur 2C).
In dit diermodel, zoals bij veel ischemische beroerte modellen, veranderingen in de verspreiding detecteerbaar zijn snel na belediging (zie figuur 3A voor een representative voorbeeld). Aangezien onze werkwijze niet wezenlijk verandert de cerebrale HI-model, kan diffusie veranderingen worden gereproduceerd op een robuuste wijze - Figuur 3B toont de veranderende procent verschillen ADC z (ADC in de z-richting) tussen de contralaterale (niet-afgesloten, links) en ipsilaterale (geoccludeerd, rechts) zijden van de hersenen,% LR, (n = 6 voor scan H2, n = 5 voor alle tijdstippen). Zoals verwacht, ADC waarden op de afgesloten zijde van de hersenen af naarmate de schade vordert. Figuur 3C toont een voorbeeld coronale plak van DWI sequentie, evenals een sagittale slice waaruit de beperkte axiale afmeting van het ZV (8 mm) voor het sequentie gebruikt. Details betreffende beperkingen opgelegd aan de echo planaire beeldvorming (EPI) sequentie voor DWI worden beschreven onder discussie. Kortom, beeldkwaliteit verkregen met de voorgestelde imaging kader is afhankelijk van prestaties van het systeem kenmerken, en EPI-gebaseerde DWI sequenties in particular kan suboptimale hardware voorwaarden of overname parameters bloot (zie figuur 5B). Deze significante verschillen waargenomen tussen de basislijn en daaropvolgende ADC% LR-waarden (p <0,05, ongepaarde t-test) suggereert dat dit een robuuste parameter ondervragen via onze experimentele opstelling.
Gelijktijdig met veranderingen in ADC, hemisferische verschillen werden waargenomen bij de opname van [18F] FDG na het begin van de hypoxische challenge en tijdens het scannen H2 (11% gemiddelde LR verschil, n = 3). In twee van de drie gevallen, ipsilaterale opname [18F] FDG verlaagd ten opzichte van contralaterale opname na hypoxia (zie figuur 4 voor een representatief voorbeeld), hoewel dit niet in alle gevallen waarschijnlijk te wijten aan variabiliteit dieren. Figuur 5A toont een voorbeeld waarbij het relatieve verschil in [18F] FDG-opname tussen de twee hersenhelften niet zoals verwacht in een dier (blauw). Fig5A toont ook een voorbeeld waarin, terwijl [18F] FDG opname was zoals verwacht na hypoxie, het dier stierf eind scan H2.
Figuur 1. Voorbeeld van de rechter gemeenschappelijke halsslagader afgebonden met 6-0 zijde hechtdraad. Het dier met zijn kop liggende gericht naar de onderzijde van het beeld. Het gebied rond de incisie is onthaard, en de incisie wordt geopend met een pincet voor visualisatie gehouden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. (A) representatief diagram van de opstelling van de apparatuur. De PET inzetstuk gepositioneerd in de boring van de magneet en de MRI-spoel op zijn beurt gepositioneerd in de boring van de PET insert. Het dier bed, samen met fysiologische bewaking (respiratie pad niet getoond), anesthesie lijn en IV katheter loopt in de boring zijn. De gestippelde ring duidt een veiligheidsmarge voor het storende magnetische veld. - Kan het nodig zijn om materieel met magnetische componenten buiten deze regio, maar binnen de MRI kamer (na alle veiligheidsvoorschriften) (B) Diagram samenvatting van de temporele verloop van de proef . (C) Representatieve resultaten van initiële veranderingen in O 2 niveau direct na het begin van de hypoxie uitdaging afgeleverd aan het dier. Binnen ongeveer 1 minuut, kan hypoxische omstandigheden worden bereikt, zoals gemeten door een O 2 meter geplaatst in een 0,5 L inductie box (niet getoond), in overeenstemming met het anesthesiesysteem. rge.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. (A) Voorbeeld van parametrische ADC z kaarten verworven bij aanvang en door post-hypoxie. (B) Grond tonen% LR verschil in ADC z van baseline tot post-hypoxie. Sterretjes geven een significant verschil (p <0,05, ongepaarde t-test) in vergelijking met uitgangswaarde. Fout balken geven +/- één standaarddeviatie. (C) Voorbeeld van een EPI-DWI acquisitie (axiale, sagittale en 3D-uitzicht op de omvang van de FOV tonen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
/ftp_upload/52728/52728fig4.jpg "/>
Figuur 4. (A) coronale en transversale plakje van een dier tonen [18 F] FDG-opname. Het beeld PET is op de voorgrond en wordt geregistreerd en gefuseerd met een anatomische MRI-beeld op de achtergrond voor de visualisatie. De PET-gegevens worden gesommeerd over alle frames. (B) In hetzelfde dier, [18F] FDG tijd activiteit curve voor de contralaterale halfrond (blauw) en ipsilaterale hemisfeer (rood). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .
Figuur 5 (A) Tijd activiteit curven van contralaterale (vast) en ipsilaterale (gestippeld) hemisfeer [18F] FDG opname - die op dezelfde as zijn voorbeelden van een onverwachte [18F] FDG tijdactiviteit curve (blauw) en dier dood aan het einde van H2 (45 min, groen). (B) Ghosting artefacten als gevolg van mogelijke hardware-gebaseerde RF-storingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Imaging Acquisitie Parameters en Hardware Acquisitie | |
| Diffusie MRI (EPI-DWI) | |
| Acqusition tijd | 15 min |
| Matrix grootte | 256 x 64 |
| Plakjes | 10 |
| FOV | 30 x 14 x 8 mm |
| Voxelgrootte | 0,117 x 0,219 x 0,8 mm |
| Effectieve spectrale bandbreedte | 150 kHz |
| TE | 41 msec |
| TR | 3000 msec |
| Gemiddelden | 6 |
| k-ruimte segmenten | 16 |
| b-waarden | 0, 400, 800 sec / mm 2 |
| Anatomische MRI (MSME) | |
| Acquisitie tijd | 5 min |
| Matrix grootte | 256 x 256 |
| Plakjes | 16 |
| FOV | 30 x 22 x 12,8 mm |
| Voxelgrootte | 0.117 x 0.086 x 0,8 mm |
| TE | 14 msec |
| TR | 1000 msec |
| Gemiddelden | 1 |
| Herhalingen | 1 |
| -Point Vastbesloten spectroscopische Scan (PRESS) | 15 s |
| Voxelgrootte | 3,9 x 6 x 9 mm |
| TE | 20 msec |
| TR | 2500 msec |
| Gemiddelden | 6 |
| FieldMap | |
| Acquisitie tijd | 1 min 21 sec |
| 1 TE | 1,49 msec |
| 2 TE | 5,49 msec |
| TR | 20 msec |
| Gemiddelden | 1 |
| PET-Aankoop, Histogram, en Wederopbouw Parameters | |
| Tracer | [18 F] FDG |
| Infusiesnelheid | 4,44 pl / min |
| Acquisitie tijd | 60 min |
| Beeldgrootte per slice | 128 x 128 |
| Plakjes | 99 |
| Voxelgrootte | 0,4 x 0,4 x 0,6 mm |
| Dynamische framing | 12 x 300 sec |
| Soort reconstructie | OS-MLEM (6 subsets, 6 iteraties) |
Tabel 1. MRI pulssequentie parameters voor scans in het protocol beschreven, en PET-acquisitie, histogram, en wederopbouw parameters.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Gelijktijdige anatomische MRI, en dynamische DWI-MRI en [18 F] FDG-PET-gegevens werden met succes overgenomen van proefdieren tijdens hypoxie uitdaging volgende gemeenschappelijke halsslagader ligatie. Dit is een krachtige experimentele paradigma voor multimodale beeldvorming van de snel ontwikkelende pathofysiologie geassocieerd met ischemische beledigingen in de hersenen en kan gemakkelijk worden uitgebreid naar andere PET radiotracers (bijvoorbeeld merkers van neuroinflammation) en MRI-sequenties, alsmede de invloed van interventiestrategieën bestuderen tijdens of kort na ischemische uitdaging.
Voor een succesvolle uitvoering van gelijktijdige PET / MRI beeldvorming tijdens hypoxie uitdaging in de cerebrale HI-model, moet de logistiek worden beschouwd en de methoden aangepast. Factoren die van invloed de tijdelijke plaatsing van het experiment omvatten, maar zijn niet beperkt tot: 1) bron van radioactiviteit - afhankelijk van de radiotracer gebruikt, half-leven van de radionuclide, en specifieke activiteit eisen, kan dit de mogelijke totale aantal dieren afgebeeld beïnvloeden; 2) indeling van de ruimte - dit kan invloed hebben op de lengte van de gebruikte buizen en dus de geïnjecteerde dosis, of kunnen extra stappen nodig om geïnjecteerde dosis te behouden. Dit kan ook een klein effect op de tijd om het evenwicht van gasmengsels in de anesthesie buis bereikt; 3) dier gewicht - sommige instellingen kan een limiet op het totale geïnjecteerde volume te overleven procedures (bijvoorbeeld, minder dan 1% van het lichaamsgewicht) op te leggen, op zijn beurt slangen lengte en infuuspomp rate instellingen mogelijk van invloed zijn; 4) tracer delivery - een bolus infusie of bolus plus infusie levering kan worden gebruikt, zoals bepaald door radiotracer farmacokinetiek en verwachte waarneembare veranderingen - de laatste twee zijn bijzonder nuttig voor dynamische veranderingen 24 volgen.
Ontwerp van de PET en MRI beeldacquisitie protocollen, met namely, gezien de beperkte tijd om mee te werken, is een andere cruciale factor in dit experiment. Bij gebruik van een echo-planaire beeldvorming (EPI) -gebaseerde DWI sequentie (EPI-DWI) zoals hier gepresenteerd, onder andere belangrijke overwegingen scannen duur, gezichtsveld en diffusiegradiënt weging en een routebeschrijving. Bij het aanpassen van deze parameters, moet inherente problemen met EPI-DWI ook worden aangepakt, met inbegrip van ghosting, signaal uitval en gradiënt duty cycle beperkingen. Het gebruik van respiratoire gating kan worden gebruikt om problemen als gevolg van beweging pakken. Tabel 1 beschrijft de MRI verwervingsparameters gebruikt samen met informatie over de PET hardware, opnameparameters en tracer levering parameters. Voor kwantificering van PET data dient detector normalisatie worden toegepast. Hoewel niet gedaan in ons geval, kunnen verdere stappen worden ondernomen om meer accurate kwantificering, waaronder attenuatiecorrectie met gesegmenteerde MRI data en scatter correctie te bereiken. De voormalige kan niet noodzakelijk in kleine dieren als t zijnHij mate van demping is klein en kan worden verantwoord op basis van vergelijkbare omvang kalibratie objecten. Afhankelijk van de MRI sequentie gebruikt, kan het ook nodig zijn om significante BOLD effect op T2 * 25 overwegen. Bovendien kan het nodig het effect van verdoving draaggas op bloedglucose te worden overwogen bij het gebruik van [18F] FDG 26.
Controles worden uitgevoerd om te zorgen voor geen significante onderlinge interferentie tussen de PET en MRI-systemen, of tussen de beeldvormende en andere instrumenten die worden gebruikt in het experiment. In onze ervaring, was er geen significant verschil in de PET of MRI-beeldkwaliteit bij afzonderlijk of gelijktijdig verkregen, hoewel we tijdelijk verlies in tellingen in het PET systeem waargenomen als gevolg van stoorsignalen in de PSAPD gebaseerde detectoren geïnduceerd door snelle gradiënt schakelen, een effect dat is opgemerkt door anderen 12. Een ander probleem was waargenomen RF geenise van infuuspomp voeding verstoren PET detector overname resulteert in het verlies van data. Dit werd opgelost door het vervangen van de originele AC adapter met een laboratorium-kwaliteit voeding. Meer PET / MRI hardware configuraties zijn beschreven in de literatuur, en aanpassingen aan dit protocol kan worden verplicht om unieke setups 12,27 tegemoet.
De imaging workflow kan worden gewijzigd om de voorwaarden voor de verschillende MRI pulse sequenties of PET-tracers en acquisitie systemen te optimaliseren. Zo heeft letsel bij de cerebrale HI model aangetoond worden gemoduleerd door onder andere voorwaarden, de duur van hypoxie 11. Het vergroten van de lengte van de hypoxische uitdaging kan overname van DWI gegevens mogelijk te maken op een fijnere temporele resolutie, of zorgen voor meer robuuste halfronde opname vergelijkingen voor PET-tracers. Andere aspecten van het protocol kan worden aangepast op basis van de beschikbare middelen en personeel. VoorBijvoorbeeld kan operaties gespreid en parallel aan beeldvorming sessies om de variabiliteit te verminderen in de tijd tussen CCA ligatie en hypoxie.
In dit protocol gelijktijdige PET en MRI acquisitie, naast de fysiologische uitdaging, legt beperkingen op wederzijds elkaar qua timing. Bij het optimaliseren van de EPI-DWI sequentie werd gevonden dat het hebben van aanvullende diffusie richtingen met behoud van de beeldkwaliteit acquisitie tijd zou toenemen tot onaanvaardbare waarden wanneer verschillende acquisities in de hypoxische challenge. Zo werden diffusiegradiënten toegepast uitsluitend langs de z-as. Bovendien kan de aanpassing van diermodellen om een beeldvormend protocol enige aanpassing nodig - in ons geval de standaard cerebrale hypoxie-ischemie model werd veranderd door de injectie van extra vloeistof (0,2 ml van de tracer) tijdens de hypoxische challenge.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
JM en SW zijn medewerkers van Genentech.
Acknowledgments
De auteurs willen graag naar het Centrum voor Moleculaire en Genomic Imaging bij UC Davis en het Biomedical Imaging afdeling Genentech erkennen. Dit werk werd ondersteund door een National Institutes of Health Bioengineering Research Partnership subsidie 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).
