Summary

Avancerad diffusions avbildning i hippocampus hos råttor med mild traumatisk hjärnskada

Published: August 14, 2019
doi:

Summary

Det övergripande målet med detta förfarande är att få kvantitativ mikrostrukturell information av hippocampus i en råtta med mild traumatisk hjärnskada. Detta görs med hjälp av en avancerad diffusions-vägd magnetisk resonanstomografi protokoll och region-of-räntebaserad analys av parametriska diffusion kartor.

Abstract

Mild traumatisk hjärnskada (mTBI) är den vanligaste typen av förvärvad hjärnskada. Eftersom patienter med traumatisk hjärnskada uppvisar en oerhörd variation och heterogenitet (ålder, kön, typ av trauma, andra möjliga sjukdomar etc.), spelar djurmodeller en nyckelroll i att reda ut faktorer som är begränsningar i den kliniska forskningen. De ger en standardiserad och kontrollerad inställning för att undersöka de biologiska mekanismerna för skada och reparation efter TBI. Emellertid, inte alla djurmodeller efterlikna diffus och subtila karaktären av mTBI effektivt. Till exempel, den vanligen använda kontrollerad kortikal påverkan (CCI) och laterala Fluid slagverk skada (LFPI) modeller använder sig av en kraniotomi att exponera hjärnan och framkalla utbredd fokala trauma, som inte är vanligt förekommande i mTBI. Därför är dessa experimentella modeller inte giltiga för att efterlikna mTBI. Därför bör en lämplig modell användas för att undersöka mTBI. Den Marmarou vikt droppe modell för råttor inducerar liknande microstrukturella förändringar och kognitiva försämringar som ses hos patienter som upprätthåller milda trauma; därför valdes den här modellen för det här protokollet. Konventionell datortomografi och magnetisk resonanstomografi (MRI) skannar vanligtvis ingen skada efter en mild skada, eftersom mTBI inducerar ofta endast subtila och diffusa skador. Med diffusions viktad MRI är det möjligt att undersöka mikrostrukturella egenskaper hos hjärnvävnad, vilket kan ge mer insikt i de mikroskopiska förändringarna efter milt trauma. Därför är målet med denna studie att erhålla kvantitativ information av en utvald region-av-intresserar (dvs., Hippocampus) att följa upp sjukdomsprogression efter att ha fått en mild och diffus hjärnskada.

Introduction

Traumatisk hjärnskada (TBI) har fått mer uppmärksamhet under de senaste åren, eftersom det har blivit klart att dessa hjärnskador kan resultera i livslånga kognitiva, fysiska, känslomässiga och sociala konsekvenser1. Trots denna ökande medvetenhet, mild TBI (mTBI, eller hjärnskakning) är fortfarande ofta underrapporterat och odiagnostiserade. MTBI har refererats till som en tyst epidemi, och individer med en historia av mTBI visar högre grad av drogmissbruk eller psykiska problem2. Flera patienter med mTBI går odiagnostiserade varje år på grund av den diffusa och subtila karaktären av skadorna, som ofta inte syns på konventionell datortomografi (CT) eller magnetisk resonanstomografi (MRI) skannar. Denna brist på radiologiska bevis för hjärnskada har lett till utveckling av mer avancerade avbildningstekniker såsom diffusion MRI, som är känsligare för mikrostrukturella förändringar3.

Diffusion MRI möjliggör in vivo kartläggning av mikrostrukturen, och denna MRI-teknik har använts i stor utsträckning i TBI studier4,5,6. Från diffusions tensor, fraktionerad anisotropi (FA) och medel diffusivitet (MD) beräknas för att kvantifiera förändringen i den mikrostrukturella organisationen efter skada. Senaste recensionerna för mTBI patienter rapporterar ökningar av FA och minskningar av MD efter skada, vilket kan tyda på axonal svullnad7. Tvärtom, ökningar av MD och minskningar i FA finns också och har föreslagits för att ligga bakom störningar i parenkymal struktur efter ödembildning, axonal degeneration, eller fiber feljustering/störning8. Dessa blandade fynd kan delvis förklaras av den betydande kliniska heterogeniteten hos mTBI orsakad av olika slag och svårighetsgrad (t. ex. rotation-acceleration, trubbigt våld trauma, Blast skada eller kombination av den förstnämnda). Men för närvarande finns det ingen klar konsensus om den underliggande patologi och biologisk/cellulära grund som underbygger förändringar i den mikrostrukturella organisationen.

Djurmodeller ger en standardiserad och kontrollerad inställning för att undersöka biologiska mekanismer för skada och reparation efter TBI mer i detalj. Flera experimentella modeller för TBI har utvecklats och representerar olika aspekter av Human TBI (t. ex. fokal kontra diffust trauma eller trauma orsakad av rotations krafter)9,10. Vanligt förekommande djurmodeller inkluderar kontrollerad kortikal påverkan (CCI) och laterala Fluid slagverk skada (lfpi) modeller11,12. Även om de experimentella parametrarna kan vara väl kontrollerade, dessa modeller använder sig av en kraniotomi att exponera hjärnan. Kraniotomier eller skallfrakturer ses inte vanligt i mTBI; Därför är dessa experimentella modeller inte giltiga för att efterlikna mTBI. Den effekt accelerations modell som utvecklats av Marmarou et al.13 utnyttjar en vikt som tappas från en viss höjd på råttans huvud, som skyddas av en hjälm. Denna djurmodell inducerar liknande mikrostrukturella förändringar och kognitiva försämringar som ses hos patienter som upprätthåller milda trauma. Därför är denna marmarou vikt droppe modell lämpligt att undersöka Imaging biomarkörer för diffusa mtbi14,15.

Denna rapport visar tillämpningen av avancerad diffusion MRI i en mTBI råtta modell med Marmarou vikt droppe modell. Först visas är hur man inducerar en mild och diffus trauma, och analys med diffusion tensor imaging (DTI) modell tillhandahålls sedan. Specifik biologisk information erhålls med hjälp av mer avancerade diffusionsmodeller [dvs diffusion toppighet Imaging (DKI) och vit materia tarmkanalen integritet (wmti) modell]. Specifikt är mild trauma tillfogats och microstrukturella förändringar utvärderas sedan i hippocampus med konventionell T2-vägd MRI och en avancerad diffusion Imaging Protocol.

Protocol

Protokollet har godkänts av djur etikkommittén vid universitetet i Gent (ECD 15/44Aanv), och alla experiment genomfördes i enlighet med Europeiska kommissionens riktlinjer (direktiv 2010/63/EU). 1. djur beredning och hjälm infästning Väg en kvinnlig Wistar H råtta (± 250 g eller 12 veckors ålder) och söva i en liten induktions kammare fylld med en blandning av isofluran (5%) och O2 i minst 1 min. Injicera råtta med 0,05 mg/kg buprenorfin subkutant i na…

Representative Results

I studien överlevde alla TBI råttor (n = 10) effekten och kunde återhämta sig från påverkan och anestesi inom 15 min efter avlossning från anestesi23. På CT-bilder, det fanns inga tecken på skallfrakturer och T2-bilderna visade inte några avvikelser såsom blödning, förstorade ventriklar, eller ödem bildas vid kontusion webbplats 1 dag efter trauma (figur 5). Således, baserat på dessa visuella inspektioner av de anatomiska bilderna, stora fokala lesione…

Discussion

Eftersom mTBI ofta är resultatet av en diffus och subtil skada som inte visar några avvikelser på CT och konventionella MRI-skanningar, är utvärderingen av mikrostrukturella skador efter ett milt trauma fortfarande en utmaning. Därför krävs mer avancerade avbildningstekniker för att visualisera den fulla omfattningen av trauman. Tillämpningen av diffusion magnetisk resonanstomografi i TBI forskning har fått mer intresse under det senaste decenniet, där diffusion tensor imaging används mest5…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna skulle vilja tacka Research Foundation-Flanders (FWO) för att stödja detta arbete (Grant Number: G027815N).

Materials

Induction of trauma
0.9% NaCl physiologic solution B Braun 394496
brass weight 450g custom made custom made diamter 18mm and 210 mm height
catheter Terumo Versatus-W 26G
ethilon II Ethicon EH7824 FS-3, 4-0, 3/8, 16mm
Matrass Foam to Size Type E
Plexiglas tube ISPA Plastics 416564 M1 PMMA XT GOO tube 25×19 mm (inner diamter 19 mm, minimal length of 1.50 m)
Preclinical CT scanner Molecubes X-cube
Steel helmet custom made custom made diameter 10 mm and 3 mm thickness
Vetbond Tissue Adhesive 3M 1469SB
Vetergesic (buprenorphin) EcuPhar VETERG20 0.05 mk/kg
Xylocaine 2% gel AstraZeneca Xylocaine 2% gel
Xylocaine (lidocain 2%) Aspen/AstraZeneca Xylocaine 2% gel 100 μl injection
Diffusion MRI
Preclinical MRI acquisition software Bruker Biospin MRI GmbH Z400_PV51_CENTOS55 ParaVision 5.1 MRI software
Preclinical MRI scanner Bruker Biospin MRI GmbH PharmaScan 70/16 7T MRI scanner
Quadrature volume coil Bruker Biospin MRI GmbH RF RES 300 1H 075/040 QSN TR Model No: 1P T13161C3
Small animal physiological monitoring unit Rapid Biomedical EKGHR02-0571-043C01 Unit for respiratory monitoring
Water-based heating unit Thermo Fisher Scientific Haake S 5P Model No: 1523051
Anaesthesia
Anaesthesia movable unit Veterenary technics BDO – Medipass, Ijmuiden
isoflurane: Isoflo Zoetis B506
Oxygen generator Veterenary technics 7F-3 BDO – Medipass, Ijmuiden
Diffusion image processing
Amide http://amide.sourceforge.net Version 1.0.5. Medical Imaging Data Examiner Toolbox (Loening AM, Gambhir SS, " AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis", Molecular Imaging, 2(3):131-137, 2003)
ExploreDTI http://www.exploredti.com Version 4.8.6 Toolbox for (pre-)processing and analysis of diffusion weighted MR images (Leemans A, Jeurissen B, Sijbers J, and Jones DK. ExploreDTI: a graphical toolbox for processing, analyzing, and visualizing diffusion MR data. In: 17th Annual Meeting of Intl Soc Mag Reson Med, p. 3537, Hawaii, USA, 2009)
MRtrix3 http://www.mrtrix.org Version 3.0_RC3-86-g4b523b41 Toolbox for (pre-)processing and analysis of diffusion weighted MR images

References

  1. Carroll, L. J., et al. Systematic Review of the Prognosis After Mild Traumatic Brain Injury in Adults. Cognitive, Psychiatric, and Mortality Outcomes: Results of the International Collaboration on Mild Traumatic Brain Injury Prognosis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 95 (3), S152-S173 (2014).
  2. Buck, P. W. Mild Traumatic Brain Injury: A Silent Epidemic in Our Practices. Health & Social Work. 36 (4), 299-302 (2011).
  3. Bodanapally, U. K., Sours, C., Zhuo, J., Shanmuganathan, K. Imaging of Traumatic Brain Injury. Radiologic Clinics of North America. 53 (4), 695-715 (2015).
  4. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
  5. Hulkower, M. B., Poliak, D. B., Rosenbaum, S. B., Zimmerman, M. E., Lipton, M. L. A Decade of DTI in Traumatic Brain Injury: 10 Years and 100 Articles Later. American Journal of Neuroradiology. 34 (11), 2064-2074 (2013).
  6. Hutchinson, E. B., Schwerin, S. C., Avram, A. V., Juliano, S. L., Pierpaoli, C. Diffusion MRI and the detection of alterations following traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Research. 96 (4), 612-625 (2018).
  7. Wallace, E. J., Mathias, J. L., Ward, L. Diffusion tensor imaging changes following mild, moderate and severe adult traumatic brain injury: a meta-analysis. Brain Imaging and Behavior. , 1-15 (2018).
  8. Rutgers, D. R., et al. White Matter Abnormalities in Mild Traumatic Brain Injury: A Diffusion Tensor Imaging Study. American Journal of Neuroradiology. 29 (3), 514-519 (2008).
  9. Bondi, C. O., et al. Found in translation: Understanding the biology and behavior of experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 58, 123-146 (2015).
  10. Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
  11. Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7 (AUG), (2016).
  12. Lyeth, B. G. Historical Review of the Fluid-Percussion TBI Model. Frontiers in Neurology. 7 (DEC), 1-7 (2016).
  13. Marmarou, A., Foda, M. A. A. -. E., van den Brink, W., Campbell, J., Kita, H., Demetriadou, K. A new model of diffuse brain injury in rats. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
  14. Heim, L. R., et al. The Invisibility of Mild Traumatic Brain Injury: Impaired Cognitive Performance as a Silent Symptom. Journal of Neurotrauma. 34 (17), 2518-2528 (2017).
  15. Zohar, O., Rubovitch, V., Milman, A., Schreiber, S., Pick, C. G. Behavioral consequences of minimal traumatic brain injury in mice. Acta Neurobiol Exp (Wars. 71 (1), 36-45 (2011).
  16. Pierpaoli, C., Basser, P. J. Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 36 (6), 893-906 (1996).
  17. Jensen, J. H., Helpern, J. A. MRI quantification of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis. NMR in Biomedicine. 23 (7), 698-710 (2010).
  18. Fieremans, E., Jens, H., Jensen, J. A. H. White matter characterization with diffusional kurtosis imaging. NeuroImage. 58, 177-188 (2011).
  19. Leemans, A. . Explore DTI. , (2019).
  20. Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis. Molecular Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
  21. Veraart, J., et al. Denoising of diffusion MRI using random matrix theory. NeuroImage. 142, 394-406 (2016).
  22. Veraart, J., Fieremans, E., Novikov, D. S. Diffusion MRI noise mapping using random matrix theory. Magnetic Resonance in Medicine. 76 (5), 1582-1593 (2016).
  23. Braeckman, K., et al. Dynamic changes in hippocampal diffusion and kurtosis metrics following experimental mTBI correlate with glial reactivity. NeuroImage: Clinical. 21 (August 2018), 101669 (2019).
  24. Jones, D. K., Knösche, T. R., Turner, R. White matter integrity, fiber count, and other fallacies: The do’s and don’ts of diffusion MRI. NeuroImage. 73, 239-254 (2013).
  25. . Matlab code DKI and WMTI model Available from: https://github.com/NYU-DiffusionMRI/Diffusion-Kurtosis-Imaging (2019)

Play Video

Cite This Article
Braeckman, K., Descamps, B., Vanhove, C. Advanced Diffusion Imaging in The Hippocampus of Rats with Mild Traumatic Brain Injury. J. Vis. Exp. (150), e60012, doi:10.3791/60012 (2019).

View Video