Summary
Den metod som presenteras här använder samtidig positronemissionstomografi och magnetisk resonanstomografi. I cerebral hypoxi-ischemi modell, dynamiska förändringar i diffusion och glukosmetabolism inträffa under och efter skada. Den utvecklas och reproducerbara skada i denna modell kräver samtidig förvärv om meningsfulla multimodala bilddata ska förvärvas.
Abstract
Dynamiska förändringar i vävnads vatten diffusion och glukosmetabolism inträffa under och efter hypoxi i cerebral hypoxi-ischemi återspeglar en bioenergetik störning i drabbade celler. Diffusion vägda magnetisk resonanstomografi (MRT) identifierar regioner som är skadade, eventuellt irreversibelt genom hypoxi-ischemi. Förändringar i glukosutnyttjande i den drabbade vävnaden kan vara detekterbara genom positronemissionstomografi (PET) avbildning av två-deoxi-2- (18 F) fluor-ᴅ-glukos ([18 F] FDG) upptag. På grund av den snabba och rörliga karaktär skada i denna djurmodell, måste förvärv av båda lägena av uppgifter utföras samtidigt för att ett meningsfullt korrelera PET och MRI data. Dessutom, inter-djur variabilitet i hypoxisk-ischemisk skada på grund av vaskulära skillnader begränsar förmågan att analysera multimodala uppgifter och beakta ändringar i en gruppvis strategi om uppgifterna inte förvärvas samtidigt i enskilda ämnen. Metoden pförbittrade här gör att man kan få både diffusion vägda MRI och [18 F] FDG upptag data i samma djur före, under och efter hypoxisk utmaning för att förhöra omedelbara fysiologiska förändringar.
Introduction
Globalt är stroke den andra ledande orsaken till död och en viktig orsak till invaliditet 1. Den kaskad av biokemiska och fysiologiska händelser som inträffar under och akut efter en stroke händelse inträffar snabbt och med konsekvenser för vävnadsviabilitet och slutligen resultatet 2. Cerebral hypoxi-ischemi (HI), vilket leder till hypoxisk-ischemisk encefalopati (HIE), beräknas drabba upp till 0,3% och 4% av fullgångna och prematura födslar, respektive 3,4. Dödligheten hos spädbarn med HIE är cirka 15% till 20%. I 25% av HIE överlevande, permanenta komplikationer uppstår som ett resultat av skadan, inklusive mental retardation, motoriken, cerebral pares, och epilepsi 3,4. Tidigare terapeutiska ingrepp har inte visat sig värdig antas som standardbehandling, och konsensus har ännu inte nått den mest avancerade metoder som bygger på hypotermi, effektivt minskar sjuklighet 3,5. Övriga frågor of påstående inkluderar administreringssätt av hypotermi och patientens val 6. Således, strategier för neuroprotektion och neurorestoration är fortfarande ett bördigt område för forskning 7.
Råttmodeller av cerebral HI har funnits sedan 1960-talet, och därefter anpassades till möss 8,9. På grund av karaktären av modellen och placeringen av ligering, finns det inneboende variabilitet i utfallet på grund av skillnader i säkerhet flödet mellan djur 10. Som ett resultat av dessa modeller tenderar att vara mer varierande jämfört med liknande modeller såsom mellersta cerebral artär ocklusion (MCAo). Realtidsmätning av fysiologiska förändringar har visats med laser Doppler flowmetry samt diffusion vägda MRI 11. Den observerade inom djur variabilitet i cerebralt blodflöde under och omedelbart efter hypoxi, såväl som vid akuta utfall såsom infarktvolymen och neurologiskaunderskott, tyder på att samtidig förvärv och korrelation av multimodala uppgifter skulle vara fördelaktigt.
Senaste framstegen inom samtidig positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT) har gjort det möjligt för nya möjligheter inom preklinisk imaging 12-14. De potentiella fördelarna med dessa hybrid, kombinerade system för prekliniska applikationer har beskrivits i litteraturen 15,16. Medan många prekliniska frågor kan lösas genom avbildning ett enskilt djur i följd eller genom att avbilda separata djurgrupper, vissa situationer - exempelvis när varje instans av en händelse såsom stroke yttrar sig unikt, med snabbt växande patofysiologi - gör det önskvärt och även nödvändigt att använda samtidig mätning. Funktionella neuroimaging ger ett sådant exempel, där samtidig 2-deoxi-2- (18 F) fluor-ᴅ-glukos ([18 F] FDG) PET och blood-syre-nivå beroende (FET) MRT har nyligen demonstrerats i rått morrhår stimulering Studier 14.
Här visar vi samtidigt PET / MR avbildning vid uppkomsten av en hypoxisk-ischemisk stroke där hjärnan fysiologi inte vid steady state, utan snabbt och irreversibelt förändras under hypoxisk utmaning. Förändringar i vatten diffusion, mätt med MRI och kvantifieras genom den uppenbara diffusionskoefficienten (ADC) som härrör från diffusion vägda imaging (DWI), har karakteriserats väl för stroke i kliniska och prekliniska data 17,18. I djurmodeller såsom MCAo, droppar diffusion av vatten i drabbade hjärnvävnad snabbt på grund av den bioenergetiska kaskaden som leder till cytotoxiska ödem 18. Dessa akuta förändringar i ADC observeras också i gnagarmodeller av cerebral hypoxi-ischemi 11,19. [18 F] FDG PET avbildning har använts i strokepatienter att bedöma förändringar i den lokala glucose metabolism 20, och ett litet antal in vivo djurstudier har också använt [18 F] FDG 21, bland annat i cerebral hypoxi-ischemi modell 22. I allmänhet visar dessa studier minskade glukosmetabolismen i ischemiska regioner, även om en studie med en modell med reperfusion fann ingen korrelation mellan dessa metabola förändringar med senare infarkt utveckling 23. Detta står i kontrast till spridnings förändringar som har samband med irreversibelt skadade kärnan 21. Därför är det viktigt att kunna få den kompletterande information från [18 F] FDG PET och DWI i en simultan sätt under utvecklingen av stroke, eftersom det är sannolikt att ge meningsfull information om utvecklingen av skador och effekterna av terapeutiska ingrepp. Den metod vi beskriver här är lätt mottaglig för användning med en mängd olika PET-spårämnen och MRI sekvenser. Exempelvis har [15 O] H2O PETavbildning tillsammans med DWI och perfusion-viktade bilder (PWI) från MRT kan användas för att ytterligare undersöka utvecklingen av den ischemiska halvskuggan och validera aktuella tekniker inom slagbildfältet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla djurhantering och förfaranden som beskrivs häri, och enligt Animal Research: Rapportering in vivo-experiment (fram) riktlinjerna genomfördes i enlighet med protokoll som godkänts av Föreningen för Bedömning av Ackreditering av Laboratory Animal Care (AAALAC) International ackrediterade Institutional Animal Care och användning kommittén vid University of California, Davis. Korrekt operation bör inte leda till tecken på någon smärta eller obehag hos djuret, men lämpliga åtgärder bör vidtas om dessa tecken observeras, inklusive administration av analgetika eller i vissa fall, eutanasi. Den högra sidan av djuren valdes godtyckligt för ensidigt förfarande som beskrivs.
1. Ensidig gemensamma halspulsådern (CCA) Ligering
- Förbered sterilt område med steriliserade kirurgiska verktyg och material placerade bekvämt. Se till värmedynan värms till 37 ° C med temperatursond placerades säkert på dynan. & #160; Var noga med att använda en steril duk för att täcka operationsområdet.
- Söva djur (isofluran, 1-3% i luft vid 0,5-1 l / min), och placera djuret i ryggläge med svansen vänd bort. Kontrollera anesthetization genom att klämma tån - detta bör framkalla någon reaktion om djuret är ordentligt sövd. Applicera oftalmisk salva för ögonen.
- Applicera depilation grädde till lägre halsen till övre bröstet med hjälp av 1-2 bomullspinnar. Vänta 1-3 minuter, och sedan ta bort hår och grädde med hjälp av våt gasväv eller kompresser med alkohol. Svabb snitt med Betadine i en cirkulär sätt från insidan till utsidan, och sedan byta till sterila operationshandskar.
- Med hjälp av kirurgisk sax, gör ett snitt på cirka 1 cm längs mittlinjen av den nedre halsen. Separera försiktigt yttre skal från omgivande fascia med hjälp av kirurgisk sax.
- Med hjälp av två McPherson micro iris suturering pincett, separera högra gemensamma halsartären från fascia, var noga med att undvika skadliga vener eller disturbing vagusnerven.
- Med hjälp av pincett till höger, exteriorize rätt CCA i ett stabilt läge. Applicera flera droppar saltlösning för att förhindra uttorkning. Passera en lämplig längd (2-3 cm) av 6-0 siden sutur under rätt CCA, och ligera med hjälp av en dubbel råbandsknop. Eventuellt ligera igen med en andra längd av 6-0 siden sutur.
- Flytta höger CCA och rena överflödig vätska från att öppna med en steril svamp pinne. Stäng snittet med 6-0 silkessutur. Applicera lidokain topiskt upp till 7 mg / kg.
- Låt djuret att återhämta sig från anestesi tills ambulatorisk (ca 30 min) och utföra postoperativ övervakning tills djuret är redo för avbildning.
2. Förberedelse för Imaging: System och maskinvara Kontroller
- Ställ in maskin- och programvara för MR och PET-systemen och kontrollera deras funktion som följer. Se till att alla fysiska anslutningar är säkra och programinställningar är lämpligt valda.
- Mount PET-system inuti MRI hålet, rikta in PET och MRI synfältet (FOV) centra som använder kända axiella förskjutningar. Montera MR spole inuti borrningen i PET-system och centrera spolen med PET-systemet och MRI magnetcentrum.
- Slå på PET-elektronik för makt och förspänning (Obs: steg varierar beroende på instrument). Gör en snabb (5 min) skanning med en 68 Ge cylindern och kontrollera den resulterande sinogrammet att säkerställa att alla detektorer är i drift.
- Eventuellt skaffa underlag som ska användas för en PET / MR transformationsmatris för samarbete registrering: Fyll en tredimensionell fantom (t.ex. tre fyllda sfärer) med 200 iCi 18F vattenlösning och förvärva under 15 minuter med PET. Förvärva anatomiska MRI data: i Scan kontrollfönstret, välj multi-slice fler eko (MSME) sekvens (se tabell 1
- Kontrollera infusionspumpinställningar och drift. Ställ pumpen till 4,44 | j, l per minut, vilket i 45 min av konstant infusion levererar en total volym av 200 | j, l, det typisk rekommenderad gräns för IV-injektion i en 20 g djur.
- Kontrollera värmning och bekräfta att den utgående temperaturen är tillräcklig för att hålla djuret varm (37 ° C). Kontrollera att temperaturen och andningsövervakning fungerar som förberedelse för djur placering på djuret sängen.
- Kontrollera driften av O 2 och N 2 flödesmätare (under 0,5 L / min: O 2 vid 57,2 mg / min och N2 vid 0,575 g / min) genom att driva på både tryckluftsavstängning och O 2 och N 2 källor på. För att undvika risken för skador på flödesmätare, inte slå på dem utan tillräcklig ingångstryck.
- Se till att isofluran vaporizer är tillräckligt fylld. Före bildåtergivning, börja isoflurananestesi flöde vid 1-2% och 0,5 till 1 l / min.
- Förbered djur säng genom att säkerställa att de anestesi, andnings dynan och uppvärmningssystem är placerade säkert och funktionella. För ytterligare PET / MR co-registrering noggrannhet, referensmarkörer (t.ex. kapillärrör fyllda med radiotracer vid en liknande koncentration som injiceras för avbildning) kan vara fäst till djuret bädden inom synfältet.
3. Imaging arbetsflöde
Efter alla nödvändiga kontroller utrustning är klara, gå vidare till avbildning enligt följande:
- Söva djuret med isofluran och sätt svansvenen kateter (28 G nål, PE-10 slang mindre än 5 cm) fylld med hepariniserad saltlösning (0,5 ml heparin, 1000 USP / ml, i 10 ml saltlösning). Uppvärmningen djuret och / eller svans kan förbättra kateterinförande noggrannhet. Eventuellt placera en droppe cyanoakrylatlim på platsen för insättningsatt säkra IV linjen.
- Överför djuret till beredda foder sängen. Se till att djurets huvud är säker, med övre framtänder säkras av tand bar och örat barer på plats om används.
- Applicera oftalmologiska salva till ögonen för att förhindra uttorkning. Sätt rektalsond termometer. Se till att temperaturen och respirations avläsningar är funktionella.
- Rita radiospår dosen (cirka 600 ^ Ci i 200 | j, l) som skall injiceras i hepariniserad PE-10 slang av lämplig längd - ca 3 m för PE-10 slang och en volym av 200 | il. Anslut den ena änden av denna slang till sprutan infusionspump, och den andra till svansvenen kateter linje, noga med att inte skapa punkteringar i slangen.
- Skjut djuret sängen framåt in i hålet i magneten, se till att inte störa placeringen av MR spolen och några rader eller kablar, särskilt anestesi slangen. Säkerställa att centrum av hjärnan är i linje med mittpunkterna MRI spole, PET-system, och MRI magnet.
- Utför avstämning och matchning av MRI spolen genom att vrida justeringsvreden på batteriet, vilket minimerar impedans (kontrollera spiral specifikationer) och frekvens (300 MHz för en H på 7 Tesla) felpassningar genom att observera visningen av hög effekt förförstärkare.
- (MRI) Efter inställning och matchning, skaffa en scout bild: välj en SÄLLSYNT tripilot sekvens och köra sekvensen från Scan kontrollfönstret. Kontrollera placeringen av djuret, steg 3,5 och 3,6 vid behov upprepas. Återställ shims till nollvärde.
- (MRI) Skaffa en lokal, punkt upplöst spektroskopiska scan (PRESS) i en volym i hjärnan: Kör ett PRESS sekvens (se tabell 1) i en rektangulär volym med måtten 3,9 mm x 6 mm × 9 mm. Kontrollera vattenlinjebredd med hjälp av CalcLineWidth makrokommandot. Om full bredd vid halv-maximum (FWHM) värdet är godtagbart (t.ex. 0,2 ppm), fortsätter du till steg 3.10. Om inte, gå vidare till steg 3.9.
- (MRT) Skaffa en fältkartan: Kör ett FieldMap sekvens (se tabell 1). Använd resulterande data för en flera vinklar projektion shim (MAPSHIM) genom att köra MAPSHIM makrokommandot och välja linjära och andra ordningen (z 2) lokala anpassningar. Upprepa steg 3.8.
- (MRI) Placera slice planen för DWI scan (se tabell 1): med hjälp av Geometry Editor, se till att förvärvet FOV är positionerat för att uppnå önskad volym intresse i hjärnan. Om den resulterande skivan planen är inriktad på önskat sätt, kopiera denna skiva plan Scan kontrollfönstret för alla efterföljande DWI skanningar. Börja förvärvet.
- (PET) med PET förvärvet förberedda och redo att börja, starta infusionspump. Efter den förutbestämda fördröjning vid vilken saltlösning från katetern har injicerats, börjar PET förvärvet (se tabell 1) för att fånga inträde av radiospår. Övervaka räknehastigheten leta efter gradvis ökningi pulser som indikerar en lyckad injektion.
- Efter 10-15 minuter, initiera hypoxisk utmaningen samtidigt med steg 3.12. För att initiera hypoxisk utmaning, stänga av medicinsk luftflöde och omedelbart effekt på O 2 och N 2 flödesmätare med de förutbestämda inställningar för att leverera 8% syre och 92% kväve och minska isofluran till 0,8%. Inte slå på flödesmätare utan ingångstrycket.
- (MRT) Samtidigt som steg 3,12, börjar DWI förvärv framställd i steg 3,10 (avläs "H1").
- (MRI) Börja DWI förvärv (skanna "H2"), framställd i steg 3.10, omedelbart efter skanning H1 är klar. Avsluta hypoxisk utmaning genom att stänga av flödesmätare, återställa medicinsk luftflöde, och återvänder isofluran koncentration till ett lämpligt värde baserat på fysiologisk övervakning.
- (MRI) Skaffa en efter hypoxi DWI skanna framställts i steg 3.10. Stäng av infusionspumpen efter den här analysen är klar.
- (MRI) Acquire anatomical bilder i axiella och sagittala plan. I Scan kontrollfönstret - välj MSME sekvensen (se tabell 1). Med hjälp av geometri Editor, se till att förvärvet FOV täcker hjärnan.
- Ta bort djur, tillbaka till buren när ambulerande och övervaka tecken på sjuklighet, euthanizing vid behov med administrering av CO2, följt av halsdislokation som en sekundär metod.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 visar resultatet av en korrekt ligering av den gemensamma halsartären, före tillslutning av såret med 6-0 silkessutur.
I denna metod är data erhållna från avbildning i hög grad beroende på den tidsmässiga arrangemanget av experimentet, som i sin tur dikterar och är också dikterad av experimentella begränsningarna innefattande bildupptagningssystem och installation av utrustningen. Dessa och andra överväganden utforskas ytterligare i diskussionsavsnittet. Med det protokoll som beskrivs häri, den fysiska installationen av utrustningen (figur 2A) möjliggör oavbruten multimodala bild förvärv före, under och efter (Figur 2B) snabbt införande av den hypoxiska utmaningen (figur 2C).
I denna djurmodell, som med många ischemisk stroke modeller, förändringar i diffusion är detekterbara snabbt efter förolämpning (se figur 3A för en representative exempel). Som vår metod inte i grunden förändrar den cerebrala HI modellen, kan diffusion förändringar återges på ett robust sätt - Figur 3B visar de framväxande procent skillnader i ADC z (ADC i z-riktningen) mellan den kontra (icke-tilltäppt, vänster) och ipsilaterala (tilltäppt, höger) sida av hjärnan,% LR, (n = 6 för skanning H2, n = 5 för alla andra tidpunkter). Som väntat, ADC värden på den ockluderade sidan av hjärnan minskar när skadan fortskrider. Figur 3C visar ett exempel koronala skiva från DWI-sekvensen, samt en sagittal slice demonstrerar begränsade axiella utsträckningen av FOV (8 mm) för den sekvens som används. Uppgifter om begränsningar på ekot plan avbildning (EPI) sekvens som används för DWI beskrivs i diskussionsavsnittet. Kort sagt, är beroende av systemet prestanda bildkvalitet som erhålls med den föreslagna ramen bildbehandling och EPI-baserade DWI sekvenser i particular kan utsätta suboptimal hårdvaruförhållanden eller ackvisitionsparametrar (se figur 5B). Det signifikanta skillnader observerades mellan baslinjen och efterföljande ADC% LR värden (p <0,05, oparade t-test) tyder på att detta är en robust parameter att förhöra använda vår experimentuppställning.
Parallellt med förändringarna i ADC, har halvrunda skillnader observerades i upptaget av [18 F] FDG efter att ha påbörjat hypoxisk utmaningen och under skanning H2 (% 11 medelvärde LR skillnad, n = 3). I två av tre fall, ipsilaterala [18 F] FDG upptag minskade i förhållande till kontra upptag efter hypoxi (se figur 4 för ett representativt exempel), men detta var inte sant i alla fall sannolikt på grund av djur variabilitet. Figur 5A visar ett exempel där den relativa skillnaden i [18 F] FDG upptag mellan de två hjärnhalvorna var inte som förväntat i ett djur (blå). Figur5A visar också ett exempel där, medan [18 F] FDG upptag var som väntat efter hypoxi, dog djuret i slutet av skann H2.
Figur 1. Exempel på högra gemensamma halsartären ligerades med 6-0 silke sutur. Är Djuret liggande med huvudet pekade mot botten av bilden. Området kring snittet har depilerades och snittet hålls öppet med pincett för visualisering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. (A) representant diagram över det fysiska arrangemanget av utrustning. PET insatsen är placerad i borrningen av magneten, och MRT spolen är i sin tur placerad i borrningen hos PET insatsen. Djuret säng, tillsammans med fysiologisk övervakning (andning dynan ej visad), anestesi linje, och IV-kateter löper in i hålet, såsom visas. Den streckade ringen betecknar en säkerhetsmarginal för strö magnetfältet. - Det kan vara nödvändigt att placera utrustning med magnetiska komponenter utanför denna region, men inom MR rummet (efter alla säkerhetsföreskrifter) (B) Diagram sammanfattar tids utvecklingen av experimentet . (C) Representativa resultat av initiala förändringar i O 2 nivå levereras till djuret direkt efter starten av hypoxi utmaning. Inom ungefär en minut, kan hypoxiska betingelser uppnås, mätt genom en O 2 mätare placerades i en 0,5 L induktionslåda (ej visad), i-linje med anestesisystemet. rge.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. (A) Exempel på parametriska ADC z kartor förvärvats vid baslinjen och genom efter hypoxi. (B) Plot visar% LR skillnad i ADC z från baslinjen till efter hypoxi. Asterisker indikerar en signifikant skillnad (p <0,05, oparat t-test) jämfört med utgångsvärdet. Felstaplar representerar +/- en standardavvikelse. (C) Exempel på en EPI-DWI förvärv (axiella, sagittala och 3D-vyer för att visa omfattningen av FOV). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
/ftp_upload/52728/52728fig4.jpg "/>
Figur 4. (A) Koronal och tvärgående del av ett djur som visar [18 F] FDG upptag. PET bild är i förgrunden och är registrerat och smält med en anatomisk MRI-bild i bakgrunden för visualisering. PET-data summeras över alla ramar. (B) På samma djur, [18 F] FDG fritidsaktivitet kurvan för kontralaterala hemisfären (blå) och ipsilaterala halvklotet (röd). Klicka här för att se en större version av denna siffra .
Figur 5. (A) Tid aktivitetskurvor för kontra (fast) och ipsilaterala (prickad) halvklotet [18 F] FDG upptag - visas på samma axel är exempel på en oväntad [18 F] FDG tidaktivitetskurvan (blå) och djur död i slutet av H2 (vid 45 min, grön). (B) spökbilder artefakter på grund av potentiella hårdvarubaserade RF fel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Imaging Förvärv Parametrar och hårdvara Förvärv | |
| Diffusion MRI (EPI-DWI) | |
| Förvärv tid | 15 min |
| Matrisstorlek | 256 x 64 |
| Skivor | 10 |
| FOV | 30 x 14 x 8 mm |
| Voxelstorleken | 0,117 x 0,219 x 0,8 mm |
| Effektiv spektral bandbredd | 150 kHz |
| TE | 41 ms |
| TR | 3000 ms |
| Genomsnitt | 6 |
| k-rymdsegment | 16 |
| b-värdena | 0, 400, 800 sek / mm 2 |
| Anatomiska MRT (MSME) | |
| Uppsugningstiden | 5 min |
| Matrisstorlek | 256 x 256 |
| Skivor | 16 |
| FOV | 30 x 22 x 12,8 mm |
| Voxelstorleken | 0,117 x 0,086 x 0,8 mm |
| TE | 14 ms |
| TR | 1000 ms |
| Genomsnitt | 1 |
| Upprepningar | 1 |
| Point-Lösta Spectroscopic Scan (PRESS) | 15 s |
| Voxelstorleken | 3,9 x 6 x 9 mm |
| TE | 20 ms |
| TR | 2500 ms |
| Genomsnitt | 6 |
| FieldMap | |
| Uppsugningstiden | 1 min 21 sek |
| 1:a TE | 1,49 ms |
| 2:e TE | 5,49 ms |
| TR | 20 ms |
| Genomsnitt | 1 |
| PET Förvärv, histogram, och rekonstruktionsparametrar | |
| Tracer | [18 F] FDG |
| Infusionshastighet | 4,44 | il / minut |
| Uppsugningstiden | 60 min |
| Bildstorlek per skiva | 128 x 128 |
| Skivor | 99 |
| Voxelstorleken | 0,4 x 0,4 x 0,6 mm |
| Dynamisk inramning | 12 x 300 sek |
| Rekonstruktion typ | OS-MLEM (6 delmängder, 6 iterationer) |
Tabell 1. MRI pulssekvensparametrar för skanningar som beskrivs i protokollet, och PET-förvärv, histogram och rekonstruktionsparametrar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samtidig anatomisk MRI och dynamisk DWI-MRI och [18 F] FDG PET-data framgångsrikt förvärvats från försöksdjur under hypoxisk utmaning efter gemensamma halspulsådern ligation. Detta utgör ett kraftfullt experimentell paradigm för multimodal avbildning av den snabbt föränderliga patofysiologi i samband med ischemiska förolämpningar i hjärnan och kan lätt utvidgas till att studera andra PET radiospårämnen (t ex markörer för neuroinflammation) och MRI-sekvenser, samt effekterna av interventionella strategier under eller strax efter ischemisk utmaning.
För ett framgångsrikt genomförande av samtidig PET / MR avbildning under hypoxisk utmaning i den cerebrala HI-modellen, måste logistiken övervägas och de metoder justeras därefter. Faktorer som kan påverka den tidsmässiga arrangemanget av experimentet innefattar, men är inte begränsade till: 1) källa till radioaktivitet - beroende på radiotracer användas, halveringstiden för radionukliden, och särskilda aktivitetskrav, kan detta påverka den möjliga totala antalet djur som avbildas; 2) rumslayout - detta kan påverka längden på slangar som används och därmed den injicerade dosen, eller kan kräva ytterligare åtgärder för att upprätthålla injicerade dosen. Detta kan också ha en liten effekt på tiden för att nå jämvikt för gasblandningar i anestesi röret; 3) djurvikt - vissa institutioner kan införa en gräns för den totala injicerade volymen för överlevnads förfaranden (t.ex. mindre än 1% av kroppsvikten), som i sin tur kan komma att påverka slangar längd och infusionspump hastighetsinställningar; 4) tracer leverans - en bolus, infusion eller bolus plus infusion leverans kan användas, såsom bestäms av farmakokinetik radiotracer och förväntade observerbara förändringar - de två sistnämnda är särskilt användbara för att följa dynamiska förändringar 24.
Utformning av PET och MRI bildupptagning protokoll, särskiltly tanke på den begränsade tid med att arbeta, är en annan avgörande faktor i detta experiment. Om du använder ett eko-plan avbildning (EPI) -baserad DWI sekvens (EPI-DWI) som presenteras här, bland annat viktiga överväganden skanna varaktighet, synfält, och diffusionsgradient viktning och vägbeskrivning. Medan du justerar dessa parametrar måste inneboende problem med EPI-DWI också tas upp, inklusive spökbilder, signalbortfall och lutning tull cykel begränsningar. Användningen av andningsgrind kan användas för att behandla frågor på grund av rörelse. Tabell 1 beskriver MRI ackvisitionsparametrar används tillsammans med information om PET-hårdvara, ackvisitionsparametrar och spårleverans parametrar. För kvantifiering av PET-data, måste detektor normalisering tillämpas. Även om det inte sker i vårt fall, kan ytterligare åtgärder vidtas för att uppnå mer exakt kvantifiering, inklusive dämpning korrigering med hjälp av segmente MRI data och scatter korrigering. Den förstnämnda är kanske inte nödvändigt små djur som than grad av dämpning är liten och kan redovisas enligt liknande stora kalibreringsobjekt. Beroende på MRI-sekvens som används, kan det också bli nödvändigt att överväga några betydande BOLD effekter på T2 * 25. Dessutom kan effekten av bedövningsmedel och bärgas på blodsockret måste beaktas när du använder [18 F] FDG 26.
Kontroller bör genomföras för att se till att det inte finns någon signifikant ömsesidig interferens mellan PET och MRI-system, eller mellan bildsystemen och andra instrument som används i experimentet. I vår erfarenhet, fanns det ingen signifikant skillnad i PET eller MRI bildkvalitet vid förvärvstillfället individuellt eller samtidigt, även om vi har observerat momentan förlust räknas i PET-systemet på grund av falska signaler i PSAPD baserade detektorer inducerade av snabb gradient växling, en effekt som har noterats av andra 12. En annan fråga som iakttogs var RF-ingenISE från infusionspumpen strömförsörjningen stör PET-detektor förvärv som resulterar i förlust av data. Detta löstes genom att ersätta den ursprungliga nätadaptern med en laboratorie kvalitet strömförsörjning. Mer PET / MR hårdvarukonfigurationer beskrivs i litteraturen, och anpassningar av detta protokoll kan krävas för att tillgodose unika inställningar 12,27.
Den arbetsflöde kan modifieras för att optimera förutsättningarna för olika MR pulssekvenser eller PET-spårämnen och förvärvsplaner. Till exempel har skadornas cerebral HI modellen visat sig moduleras av bland andra villkor, varaktighet hypoxi 11. Ökning av längden på hypoxisk utmaningen kan tillåta förvärv av DWI data vid finare tidsupplösning, eller tillåta mer robusta halvsfärisk upptagnings jämförelser för PET spårämnen. Andra aspekter av protokollet kan justeras baserat på tillgängliga resurser och personal. FörExempelvis kan operationer fördelas och löper parallellt med avbildning sessioner för att minska variabiliteten i tiden mellan CCA ligering och hypoxi.
I detta protokoll, samtidig PET och MRI förvärv, utöver den fysiologiska utmaningen, ställer ömsesidiga gränser för varandra när det gäller timing. Att optimera EPI-DWI sekvensen, konstaterades det att ha ytterligare spridnings riktningar med bibehållen bildkvalitet skulle öka förvärvs tiden bortom acceptabla gränser för att utföra flera förvärv under hypoxisk utmaning. Således var diffusion gradienter appliceras enbart längs z-axeln. Dessutom kan en anpassning av djurmodeller för att ett avbildningsprotokoll kräver viss modifikation - i vårt fall standard cerebral hypoxi-ischemi modell förändrades genom injektion av ytterligare fluid (0,2 ml av radiospårämnet) under den hypoxiska utmaning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
JM och SW är anställda i Genentech.
Acknowledgments
Författarna vill tacka för Centrum för molekylär och Genomic Imaging hos UC Davis och biomedicinsk avbildning avdelningen vid Genentech. Detta arbete stöddes av en National Institutes of Health Bioengineering Research Partnership licensnummer 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).
