Summary
이 기사의 목적은 마이크로 계산 된 단층 촬영 및 전체 선박 세그먼트에 대뇌 vasospasm을 계량 하는 데 사용할 수 있는 볼륨의 결정 후 마우스에서 뇌혈관 나무의 3 차원 재구성을 허용 하는 방법을 제시 하는 것입니다. 거미 막 밑 출혈의 murine 모델입니다.
Abstract
거미 막 밑 출혈 (SAH) 출혈 성 뇌졸중의 하위 형식입니다. 출혈의 여파에서 발생 하는 대뇌 vasospasm 환자 결과 결정 하는 중요 한 요소 이며 따라서 자주 연구 끝점으로 찍은. 그러나, SAH에 작은 동물 연구, 대뇌 vasospasm의 정량화는 주요 도전 이다. 여기, ex vivo 메서드는 대뇌 vasospasm을 계량 하는 객관적인 측정으로 사용 될 수 있는 전체 선박 세그먼트의 볼륨의 정량화를 허용 하 여. 첫 번째 단계에서 대뇌 맥 관 구조의 혈관 내 수술 캐스팅 방사선 불 투과성 캐스팅 에이전트를 사용 하 여 수행 됩니다. 다음, 횡단면 영상 데이터는 마이크로 컴퓨터 단층 촬영에 의해 획득 됩니다. 마지막 단계는 센터 라인과 선택한 선 세그먼트의 볼륨을 계산 하는 알고리즘에 의해 다음 가상 혈관 트리의 3 차원 재구성을 포함 한다. 메서드 결과 뇌혈관 성 나무 직경에 기초를 둔 그들의 가상 복원 해 부 샘플 비교 하 여 표시의 정확한 가상 재건. 혼자 배 직경에 비해, 선박 볼륨 SAH, 가짜 운영 마우스의 시리즈에 표시 된 vasospastic 및 vasospastic 비 혈관 사이의 차이점을 강조 표시 합니다.
Introduction
Aneurysmatic 거미 막 밑 출혈 (SAH), 출혈 성 뇌졸중의 하위 유형이 neurointensive 치료 단위에 일반적인 질병 이다. 초기 뇌 손상 (비), 구성 자체는 출혈 이벤트로 인 한 뇌 손상, 게다가 환자 결과 결정 하는 또 다른 중요 한 요소는 지연된 대뇌 국 소 빈 혈 (DCI), 임상에 의해 정의 된 통해 악화 대뇌 장애 관류 또는 대뇌 경색 중재 또는 외과 절차1,2,3와 관련 되지 않은. DCI에 기여 하는 중요 한 메커니즘은 큰 대뇌 혈관의 vasospasms 한편으로; 다른 한편으로, microvessels 및 microthrombosis, 및 외피 퍼지는 불경기와 관련 된 허 혈 vasospasm와 microcirculatory 부전 역할 (Madonald 20141에서 검토). 따라서, vasospasm 큰 대뇌 혈관의 진단 임상 연습에서 중요 하 고 많은 실험과 임상 연구에서 중요 한 끝점을 표시 합니다.
Vasospasm murine SAH 모델에서의 기능을 직접 하지 않습니다 사실에도 불구 하 고 인간의 환자, murine 모델 SAH의 양도 관련된 vasospasm이 되었습니다 지난 몇 년 동안에서 성장 하는 의미의. 이러한 모델에 SAH는 혈관 내 수술 필 라 멘 트 천공4,5,6,7,8, cisternal 선박9, transection 또는 CSF10에 혈액의 주입에 의해 유도 된 ,,1112. 큰 동물 모델 SAH의 전통적으로 vasospasm13를 연구 하도록 설계 되었습니다, 달리 murine 모델 수많은 유전자 변형 쥐 종자 사용할 수 있는 큰 장점이 있다. 이로써 그들 분자 메커니즘 vasospasm 및 DCI를 공부 하기 위한 훌륭한 도구. 그러나, 쥐의 대뇌 vasospasm의 도전 이다. 이 때문에 큰 동물 모델에서 vasospasm 시험 될 수 있다 임상 이미징 기술을 사용 하 여, 달리 vivo에서 이미징 쥐에서 대뇌 vasospasm을 분석 하는 아직 사용할 수 없습니다. 따라서, vasospasm은 어느 조직학 섹션10,11 을 사용 하 여 또는 미세 후 대뇌 혈관7,,912의 주조에 일반적으로 결정 됩니다. 그러나, 이러한 기술은 직경만 정의 된 지점에서 검사는 그 선박 단점은 있다.
7이전 연구 바탕으로,이 원고는 murine SAH 모델에 목표 및 재현성 분석 vasospasm 위해 메서드를 제공 합니다. 방법은 관류 및 대뇌 혈관, ex vivo 마이크로-CT 검사, 선박 트리의 디지털 개조의 주조에 따라 그리고 후속 전체 대뇌 혈관의 볼륨의 평가.
Protocol
동물 실험 (Landesuntersuchungsamt 라인란드-Pfalz) 책임 있는 동물 관리 위원회에 의해 승인 되었고 독일 동물 복지 행위 (TierSchG)에 따라 실시. 관심과 동물의 사용에 대 한 모든 해당 국제, 국가, 및 기관 지침 따라 했다.
이 연구에서는 남성 C57BL6 마우스 (10-12 주 나이) 사용 되었다. 간단히, 거미 막 밑 출혈은 마 취와 isoflurane 혈관 내 수술 필 라 멘 트 구멍 뚫 기에 의해 유발 됩니다. 왼쪽된 외부 경 동맥 수술 준비 되었다. 다음, 한 필 라 멘 트 외부 경 동맥에 삽입 되었고 경 T, 거미 막 밑 출혈을 유도에 천공 된 내부 경 동맥을 통해 intracranially 고급. Intracranial 압력에서 상승 성공적인 혈관 내 수술의 지표로 서 찍은 구멍 뚫 기. 쥐에 혈관 내 수술 필 라 멘 트 구멍 뚫 기 모델이 SAH의 상세한 프로토콜 되었습니다8,14다른 사람에 의해 출판.
1. 관류 및 혈관 내 수술 캐스팅
- 이 연구에서는 관류 SAH의 유도 후 72 시간을 수행 했다. Intraperitoneally 5 µ g/g 몸 무게 (bw) midazolam, 30 ng/g bw 펜타닐, 및 0.5 µ g/g bw medetomidin를 주입 하 여 마 취를 유도. 충분 한 마 취 수준에 도달 했습니다, 통증 자극에 반응의 결핍에 의해 확인 된 후에 계속 합니다.
- 가슴을 열고, 21 G 정 맥과 좌 심 실 펑크, 오른쪽 아 트리 움, 열고 클램프 설명 대로 하강 대동맥 다른15.
- 다음과 같은 솔루션을 사용 하 여 transcardiac 관류 수행: (i) Dulbecco의 인산 염 버퍼 염 MgCl2 와 CaCl2 pH 7.4 1 g/L 포도 당, 및 (ii) 4 %paraformaldehyde 솔루션에 포함 된.
- (I) 2 분 동안 솔루션에 관류를 시작 하 고 (ii) 4 분에 대 한 솔루션을 계속.
- 최적의 관류 압력 마우스16에서 vasospasm을 분석을 발견은 70 mmHg의 압력을 일정으로 perfuse를 변수 관류 속도와 압력 제어 펌프를 사용 하 여 37 ° C의 온도에서 솔루션을 달 이다. 솔루션 (ii) 압력의 손실을 솔루션 (i)에서 전환 하는 때 피하십시오.
- 방사선 불 투과성 캐스팅 에이전트와 함께 실 온에서 20 분 동안 관류 계속 관류와 솔루션 (i) (ii), 후 ( 재료의 표참조) 0.2 ml/min의 일정 한 속도로.
- 밤새 4 ° C에서 방사선 불 투과성 주조 재료의 치료에 대 한 허용. 다음 앞에서 설명한17두개골에서 뇌를 제거 하 고 4 %PFA 솔루션 샘플을 전송 마이크로 CT 스캔까지 4 ° C에서 샘플을 저장할.
2. 마이크로 컴퓨터 단층 촬영
- 무딘 해 부 집게와 두뇌 플라스틱 튜브의 중앙에 놓습니다. 이미지 수집 동안 개체 이동 하지 않습니다 수 있도록 샘플 보다 약간 더 큰 직경 튜브를 선택 하십시오. 거 즈를 사용 하 여 튜브를 닫습니다.
- 개체의 가로 축을 회전은 x 선 실에서 컴퓨터 탐색 제어 (CNC) 포지셔닝 시스템에 마이크로 스테핑 모터에 플라스틱 튜브를 연결 합니다.
- X 선 방사선 아래 보기의 필드에서 샘플을 맞춥니다. 최대한 확대를 위해 x 선 소스에 최대한 가까이 개체를 배치 하 고 최대한 검출기에 거리를 극대화 합니다.
- 단계 및 촬영 이미지 수집 프로토콜을 사용 하 여 다음 검색 매개 변수: 1 노출 시간 설정 신호 대 잡음 비율 (SNR)를 최적화, 전압 80 관 각 영사 s kV (현재 38 µ A), 1000 예측에서 결과 360 ° 회전.
- 원시 데이터의 복구에 대 한 복구 소프트웨어를 사용 하 여 1024 x 1024 x 1024 복의 매트릭스로 Shepp-로 건 필터 적용 필터링된 다시 투영 알고리즘을 사용 ( 재료의 표참조). 추가 분석을 위해 가져올 결과 DICOM 데이터 3D 시각화 소프트웨어 ( 재료의 표참조).
3. 3 차원 재구성 Intracranial 혈관 나무와 선박 볼륨의 결정의
참고: 시각화 소프트웨어의 기능에 대 한 배경 정보는 도움말기능 사용 하 여 찾을 수 있습니다.
- 가져오기함수를 사용 하 여 시각화 소프트웨어에 Dicom 데이터를 가져옵니다.
- Volren기능을 가진 그릇 트리를 시각화 합니다. 큰 뇌 동맥 날카로운 윤곽선에 묘사를 시각화 임계값을 선택 합니다. 그것은 실험 시리즈에 속하는 모든 데이터 세트에 대 한 동일한 시각화 임계값을 사용 해야 합니다.
- 사실상 해 부 기저 대뇌 동맥 (Willis의 원형) 기능 VolumeEdit 커서 혈관 주변으로. 다음 사실상 선박 세그먼트 분석을 해 부. 따라서, 정확 하 게 모든 작은 가지 주요 동맥에서 분리 하기 위하여 혈관 나무의 3 차원 모델을 회전 합니다. 분석할 선박 세그먼트를 제외 하 고 모든 혈관을 삭제 하려면 추가 분석을 위해 필수적 이다.
- 임계값 생성 시각화 임계값 설정 함수 Autoskeleton 을 적용 한 센터-라인- SpatialGraph를 기반으로.
- 그런 다음 SpatialGraphToLineSet 를 만드는 함수를 적용 한 라인 세트. 수동으로 커서 단일 전향을 선택 하 고 "분할"을 클릭 하 여 그것의 단일 전향으로 설정 하는 줄을 나눕니다. 이 단계는 단일 전향의 볼륨을 계산 하기 위해 중요 한.
- LineSetToSpatialGraph 함수를 사용 하 여 공간 그래프를 다시 만듭니다.
- SpatialGraphStatistics 함수를 사용 하 여 길이, 볼륨, 및 각 subsegment의 직경을 결정. 색상된 시각화에 대 한 혈관 직경의 과정을 나타내는 함수 사용 하 여 SpatialGraphView. "두께" 선박 직경 상관을 색칠 하는 세그먼트를 설정 합니다. 그것은 실험 시리즈에 속하는 모든 데이터 집합에 대 한 동일한 색상 지도 선택 하는 것이 중요입니다.
- 추가 분석에 포함 되어야 하는 전향 결정할 수 전향의 길이 추가 합니다. 현재 연구에서 우리가 경 T의 인접 내부 경 동맥의 1 m m 및 2.5 m m 경 t.의 원심 중간 대뇌 동맥의의 구성 된 선박 세그먼트 평가 정의 된 선 세그먼트의 혈관 볼륨을 확인 하기 위해 볼륨을 추가 합니다.
Representative Results
3 차원 intracranial 혈관 트리의 가상 재건
3 차원 복원된 intracranial 혈관 나무 제공 매우 정확한 혈관 해부학 (그림 1). 우리 선박 직경 미세 결정 사이 그리고 2 해부학 적인 몸의 구조 정의 지점에서 3 차원 가상 개조에서 직경 기반 비교를 수행 하는 정확도 평가, (1: 중간 대뇌 동맥 (MCA) 1 m m의 원심 왼쪽에 경 T; 2: 오른쪽 MCA 경 T의 원심 1 m m). 혈관 직경의 미세한 결정에 대 한 고해상도 카메라 (무한대 X-21, Deltapix) DeltaPix 통찰력 소프트웨어 버전 2.0.1와 마이크로미터 눈금 보정 사용 되었다. 이 평가 대 한 10 뇌 샘플 (5 SAH, 5 가짜) 분석 되었다. 이들은 7의는 SAH 유도 되었다, 5 가짜 수술 (수술 후 일 1과 2에 각각 사망 SAH 그룹의 2 동물) 동안에 12 마우스의 시리즈에서. Intracranial 혈관 해부학 (가상 재건 대 미세한 결정의 정확한 가상 재건을 나타내는 미세 하 고 거의 결정 직경 사이의 중요 한 차이가 있었다 ± 표준 오차를 의미: 왼쪽 MCA 150 ± 9 µ m 대 왼쪽된 MCA 150 ± 8 µ m; 바로 MCA 153 ± 8 μ m 대154 ± 9 µ m, 그림 2참조).
SAH와 쥐의 대뇌 vasospasm의 정량화
(I) 2 해부학 정의 포인트 (왼쪽 및 오른쪽 MCA)에 직경 1 m m 내부 경 동맥 (ICA)와 왼쪽, 그리고 (ii)는 선박에 2.5 m m MCA 구성 된 미리 정의 된 대표적인 3.5 m m 선 세그먼트의 볼륨이 했다 대뇌 vasospasm을 계량 하기 SAH를 운영 하는 가짜 동물 뇌 견본에서 결정 (n = 5). 선박 볼륨은 SAH 가짜에 비해 크게 낮은 (36 ± 4 nL 대 71 ± 9 nL, p < 0.05). 혈관 직경은 SAH 가짜에 비해 낮은 (MCA 왼쪽: 140 ± 11 µ m 대 160 ± 10 µ m, p = 0.11; MCA를 마우스 오른쪽: 130 ± 16 µ m 대 158 ± 13 µ m, p < 0.05; 그림 3참조), 레벨의 중요성만 분석가 대 한 도달 하는 동안 오른쪽 MCA의입니다.
그림 1. Intracranial 혈관 트리의 가상 재건입니다. (A) 표시는 대표적인 두뇌 샘플; (B) 혈관 트리 재건축 사실상 해당 표시 됩니다. ((C)) 왼쪽 MCA의 직경의 색상된 시각화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 . 정확도 맥 관 구조 디지털 재건의. 평균 직경 미세 결정 들에 비해 3D 복원된 뇌 견본에서 측정. 데이터는 평균 ± 표준 오차의 평균으로 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 . 선박 볼륨 및 선박 직경 SAH 후. (A) 비교의 MCA 직경 측정 SAH 맥 3D 복원된 관 구조에서 쥐를 가짜 고. (B) 선박 볼륨 SAH에 가짜 쥐와. 데이터는 평균 ± 표준 오차의 평균으로 표시 됩니다. p < 0.05입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
Murine SAH 모델 기본 SAH 연구를 위한 중요 한 도구입니다. 대뇌 vasospasm 자주 SAH9,11후 DCI로 이어지는 메커니즘을 조사 하는 실험 연구에서 끝점으로 사용 됩니다. 그러나, 쥐에서 뇌 vasospasm의 정량화 또는 다른 작은 동물 모델 SAH의 도전 이다. 일반적으로, vasospasm 혈관 내 수술 관류와 주조7,,912 후 정의 된 해 부 지점에서 혈관 직경의 비보 전 결정 또는 둘레의 계량은 조직학에 정의 된 혈관의 섹션10,11. 그러나, 이러한 방법은 일부의 단점이: Vasospasm 정의 해 부 포인트;에 평가 됩니다 vasospasm 선박 세그먼트를 이웃의 평가 벗어날 수 있습니다. 조직학 아티팩트 오류의 또 다른 소스를 제공합니다. 또한, 평가 배 직경 측정은 정확한 위치는 조사에 의해 결정 되기 때문에 오히려 주관적 수 있습니다.
목표 그러므로 횡단면 영상 데이터7에서 전체 대뇌 혈관 세그먼트의 혈관 볼륨을 계산 하 여 대뇌 vasospasm을 수량화 하는 메서드를 설정 했다. 여기에 제시 된 체적 방법의 가장 중요 한 장점은 그 전체 선박 세그먼트 시험 될 수 있다 이다. 이 선박 직경 측정 포인트의 정의의 필요성을 피 한다. 전체 선박 세그먼트의 평가의 더 이점은 이다 그것은 아마도 더 근 이나 말 초 혈관의 vasospasm 탈출 수 정의 점에서 혈관 직경의 결정 보다 vasospasm 척도를 더 객관적인 매개 변수 제공 평가입니다. 색상 코드를 사용 하 여 혈관 직경의 디지털 표현을 vasospasm 정도의 직관적인 추정 수 있습니다. 또한, 체적 평가 vasospastic 선박 대표 결과에서 같이 혈관 직경의 평가에 비해 큰 차이를 리드. 여기에 제시 된 방법으로 달성 하는 가상 재건 혈관 해부학을 정확 하 게 반영 합니다. 이 용기에 직경 현미경으로 측정 하 고 디지털 복원에서 유사, 이전 연구7의 관측을 재현 했다 대표 시리즈의 평가 의해 표시 됩니다. 그러나, 그것의 장점에도 불구 하 고 더 연구는 필요 여부에 상관 없이 여기에 제시 된 방법은 vasospasm 분석의 전통적인 방법에 우수한 평가 합니다.
여기에 제시 된 방법의 한계는 그것 casted 뇌의 미세한 분석 또는 조직학 분석 (마이크로 CT 검사 뇌 샘플, 데이터 처리 뇌 샘플 당 45 분 당 90 분)에 비해 더 많은 시간을 준다. 또한, 마이크로 CT 스캐너의 여부는 응용 프로그램을 제한할 수 있습니다. 여기 검사 하는 동물의 수가이 원고에 설명 된 프로토콜의 타당성을 입증 하기에 충분 했다. 그러나, 치료 연구에는 프로토콜을 사용 해야 경우 동물 숫자를 계산 했 선박 볼륨 및 직경에 기대 효과에 따라. 이와 murine SAH 모델을 사용 하 여 다른 연구의 또 다른 한계는 vasospasm 결정 비보 전입니다. 이것은 경도 연구 불가능 SAH 유도 및 다른 시간 지점에서 vasospasm 전에 초기 계획 값을 조사 합니다. 비록 그것을 증명 하는 연구는 쥐에서 vivo에서 자기 공명 단층 촬영18, 계산 된 단층 촬영 혈관19또는 디지털 빼기를 사용 하 여의 큰 intracranial 혈관의 해부학을 묘사 하 제품은20, 우리의 지식, 이러한 방법을 하지 아직 사용 되었습니다 분석 murine SAH 모델 vivo에서 대뇌 vasospasm 하. 메모의 대뇌 vasospasm 여기에 제시 된의 후속 체적 평가와 대뇌 맥 관 구조의 디지털 재건 비보 전 마이크로 CT 데이터 사용에 국한 되지 않습니다. 마우스에 고해상도 혈관 교차 단면 뇌 이미징 미래에 사용할 수 있게 한다, vivo에서vasospasm volumetric 분석 수행 사용할 수 있습니다.
Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 연구의 부분 의학 교수진의 요하네스 구텐베르크-대학 마인츠의 제시 T. Pantel의 박사 논문의 일부가입니다. 연구는 Friedhelm 해제 재단 및 재단 Neurochirurgische Forschung (A.N. 부여)에 의해 지원 되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Medetomidin | Pfizer, Karlsruhe, Germany | n.a. | |
| Midazolam | Ratiopharm, Ulm, Germany | n.a. | |
| Fentanyl | Curamed, Karlsruhe, Germany | n.a. | |
| Venofix 21G | B Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany | n.a. | 21G cannula |
| Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline containing MgCl2 and CaCl2, pH 7.4 | Sigma-Aldrich, Hamburg, Germany | D8662 | |
| 4% paraformaldehyde solution | Sigma-Aldrich, Hamburg, Germany | 100496 | |
| Microfil MV-122 | Flowtech Inc., Carver, MA, USA | n.a. | Radiopaque |
| Micro-CT system Y.Fox | Yxlon, Garbsen, Germany | n.a. | |
| Reconstruction Studio software version 1.2.8.1 | TeraRecon, Frankfurt am Main, Germany | n.a. | Reconstruction software |
| Amira software version 5.4.2 | FEI Visualization Sciences Group, Hillsboro, OR, USA | n.a. | Visualization software |
| PHD ultra syringe pump | Harvard Apparatus | 70-3 | Pressure controlled pump |
| anatomical forceps (blunt) | B Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany | 160323_v | |
| Infinity X-21 | Deltapix, Maalov, Denmark | n.a. | high resolution camera |
| DeltaPix Insight software version 2.0.1 | Deltapix, Maalov, Denmark | n.a. | |
| C57BL6 mice | Charles River, Cologne, Germany |
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