Sıçan Servikal Spinal Kord difüzyon Görüntüleme
April 7th, 2015
Bu protokolün amacı, doku mikroyapısının noninvaziv karakterizasyonu için sıçan omuriliğinin yüksek kaliteli difüzyon ağırlıklı manyetik rezonans görüntülemesini (DWI) elde etmektir. Bu protokol, DWI görüntülerinin artefaktlardan arındırılmasını sağlamak için MRI dizisinin, radyo frekansı bobininin ve analiz yöntemlerinin optimizasyonlarını açıklar.
Bu prosedürün genel amacı, doku mikroyapısının non-invaziv karakterizasyonu için sıçan omuriliğinin yüksek kaliteli difüzyon ağırlıklı manyetik rezonans görüntülemesini elde etmektir. Bu, önce MR Tarayıcıda uygun mobilizasyon ve solunum izlemesi ile bir sıçan hazırlanarak gerçekleştirilir. İkinci adım, solunum kapısı ile özel bir difüzyon ağırlıklı MRI taraması yapmaktır.
Ardından, görüntüler duyarlılık artefaktları için düzeltilir. Son adım, MRI sinyalini matematiksel bir modele uydurmaktır. Sonuç olarak, doku mikro yapısının özelliklerini göstermek için ilgilenilen bölgeler içindeki model parametrelerinin karşılaştırılması kullanılır.
Bu tekniğin ex vivo tarama gibi mevcut yöntemlere göre en büyük avantajı, teşhis amaçlı kliniğe çevrilebilmesidir. Bu yöntem, omurilik yaralanmalarında ikincil yaralanma mekanizmalarının tanımlanması ve iyileşme prognozu gibi temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu protokoldeki adımları gerçekleştirmeden önce laboratuvarımdan teknisyenler Natasha Wilkins ve Matt Renquist prosedürü gösterecek.
Öncelikle tüm işlemler için uygun kurumsal bakım ve kullanım komitelerinden onay alın. Tıbbi havada% 5 flor kullanarak fareyi bir indüksiyon odasında uyuşturarak başlayın. Pençe çekme ve yazma refleksi olmadığında, anesteziyi %2'ye düşürün. Ardından hayvanı baş üstü pozisyonda tarayıcı yatağına aktarın.
Prosedür boyunca bir burun konisi boyunca% 2 ISO flor koruyun ve tıbbi havayı dakikada yaklaşık bir litre akış hızında tutun. Ayrıca, anestezi altındayken korneaya zarar vermemek için farenin gözlerine az miktarda kayganlaştırıcı merhem sürün. Sıçanın gövdesinin etrafına güvenli bir şekilde bir solunum izleme bandı yerleştirin ve bir solunum yolu sistemine bağlayın.
Solunum döngüsünün net ve tutarlı olduğundan emin olmak için solunum izleme bilgisayarını kontrol edin. Gerekirse bir kayış ayarlayın, çünkü bu adım görüntü kalitesi için zorunludur. Sıcak hava ısıtma sistemi kullanın ve 37 santigrat derecede tutulduğundan emin olmak için hayvanın vücut sıcaklığını bir rektal prob aracılığıyla izleyin ve koruyun.
Anestezi seviyesini %1,2 ile 2 arasında ayarlayarak solunum hızını dakikada 30 ila 45 nefes arasında tutunŞimdi, fareyi bir ısırma çubuğu ile baş tutucuya yerleştirin ve kulak çubuklarını vidalayın ve servikal omurga bobinin ortasına yerleştirilene kadar kafayı dörtlü hacimli bir bobine kaydırın. Son olarak, varsa fareyi ve destek tutucularını tarayıcı deliğine ilerletin, bobinin uyumunu ve eşleşen kapasitörlerini satıcı talimatlarına göre uygun frekansa ve empedansa ayarlayın. Doğru konumlandırmayı sağlamak için varsayılan üç düzlemli bir keşif taraması edinin.
Bu ilk tarama, MRI sisteminin, rezonans frekansı şimlemesinin tespiti, radyo frekansı gücünün kalibrasyonu ve alıcı kazancının ayarlanması için otomatik prosedürleri etkinleştirir. Servikal omurganın merkezinin hem mıknatısın merkezi hem de MRI bobininin merkezi ile aynı hizada olduğunu kontrol edin. Daha sonra görüntüleme protokolüne bir yankı planlayıcı, difüzyon ağırlıklı spin yankı dizisi ekleyin.
Bir dizi varsayılan ayarı kullandı, ancak 0.75 milimetre dilim kalınlığına sahip 12 dilim öngördü ve bunları servikal kordun ana eksenine dik olarak yönlendirdi. Hayvanlar arasında ve seanslar arasında tutarlı dilim konumlandırması sağlamak için beyinciğin tabanını dahili bir referans olarak kullanın. Doygunluk bantlarını açın.
Ardından, bu dokulardan gelen sinyali en aza indirmek ve artefaktları indükleme potansiyellerini azaltmak için omuriliğin dışına 10 milimetre kalınlığında dört doygunluk bandı yerleştirin. Ayrıca, solunum kapısını açtığınızdan emin olun. Şimdi, burada ekranda görüldüğü gibi difüzyon bekleme ayarlarını kullanarak sırayı ayarlayın.
Ardından taramayı başlatın. Taramalar boyunca toplam alım süresi yaklaşık 25 dakika olacaktır. Solunum kapısı yazılımını izledi ve tetik ile MRI sistemine giden sinyal arasındaki gecikme süresini ayarladı, böylece alımlar yalnızca solunum döngüsünün hareketsiz kısmında gerçekleşir.
Hayvanın solunum düzenine bağlı olarak 100 ila 400 milisaniye arasında bir tetikleme gecikmesinin gerekli olacağını unutmayın. Bu, solunum hareketi ile ortaya çıkan artefaktları azaltmaya yardımcı olacaktır. Varsa, görüntüleme tamamlandığında özel ters sinyal sesi açık olarak ayarlanarak diziyi tekrarlayın.
Hayvanı tutucusundan çıkarın ve kafesine geri koyun. Bilinci yerine gelene kadar hayvanı izleyin. Sternal yaslanmış tutmak için.
Önce duyarlılık artefaktı düzeltmesi gerçekleştirerek görüntü işlemeye başlayın. Ardından, FSL veya diğer MRI yazılım paketleriyle sağlanan yardımcı programları kullanarak her taramadan B'ye eşit sıfır hacmi tek bir dosyaya çıkarın. Örnek kod burada görülmektedir.
Kod yönündeki her aşama için bir dosya gereklidir. Ardından, azaltılmış görüntü bozulma artefaktları ile düzeltilmiş bir dosya oluşturmak için FSL'deki yükleme komutunu kullanın. Bu düzeltmeyi, parametre eşlemelerinin oluşturulması için kullanılacak ham DWI görüntülerine uygulayın.
Bu düzeltilmiş DWI dosyasını FSL görünümüne yükleyin ve dosyayı seçin. Menüden maske oluşturun. Bir doku türü içinde ilgilenilen bir bölgeyi çizmek için kalem araçlarını kullanın.
Bu dosyayı kaydedin ve istenen diğer ilgi alanları veya ROI'ler için tekrarlayın. DWI dosyasını maskelemek için ROI dosyasını kullanın ve ardından her görüntü hacmi için ROI içindeki ortalama sinyali hesaplayın. İlk sekiz sonucu, enine sinyal için bir vektör olarak MATLAB gibi bir sayısal hesaplama programına kopyalayın ve ikinci sekiz sonucu, kullanılan B değerlerinin sayısı olan uzunlamasına sinyal için bir vektör olarak kopyalayın.
Ayrıca B değerlerini programa sekiz B değerinden oluşan bir vektör olarak kopyalayın. Enine ve boyuna yönler için B değerleri mümkünse aynı olmalıdır. Tarayıcıdan nominal B değeri yerine efektif B değeri elde edilmelidir.
Sinyale karşı B değeri verilerini istenen modele sığdırmak için bir eğri uydurma araç kutusu kullanın. Komut istemine CF araçları yazarak, B değerlerini X verisi ve sinyal vektörlerini y verisi olarak seçin. Ardından montaj menüsünü seçin ve montaj için bir denklem girin.
Denkleme girerken, veriler için daha makul olan değişkenler için başlangıç noktalarının ve sınırların ayarlanması gerekebileceğini unutmayın. Denklemleri uygun hale getirdikten sonra, nicel işaretleyici olarak işlev görecek parametre değerlerini not edin. Bu görüntü, omurilik ana eksenine enine ve boyuna uygulanan difüzyon ile elde edilen yüksek kaliteli difüzyon ağırlıklı görüntüleri göstermektedir.
Beyaz ve gri madde arasında en iyi kontrastı sağlayan her yön için farklı B değerleri gösterilir. Burada, sol sütunda DWI dizisiyle görüntülenen bir dilim gösterilmektedir. Ortadaki sütun, ters blips ile alımı gösterir.
İlk görüntüde uzatılmış olarak görünen özelliklerin orta sütunda nasıl sıkıştırılmış göründüğüne dikkat edin. Sağ sütun, yükleme kullanılarak düzeltilen difüzyon ağırlıklı görüntüleri gösterir. En üst sıra, difüzyon ağırlıklı olmayan görüntüdür.
Orta sıra, enine yönde uygulanan difüzyon ağırlığını ve alt sıra, uzunlamasına yönde uygulanan difüzyon ağırlığını gösterir. Burada, enine ve boyuna difüzyon kodlama yönü ile difüzyon ağırlığının bir fonksiyonu olarak çizilen normalleştirilmiş sinyali görebiliriz. Yüksek kaliteli difüzyon, basıklık ve anizotropi haritaları, her vokseldeki sinyalden hesaplanır.
Beyaz ve gri madde arasındaki parametrelerde belirgin bir fark olduğu gibi beyaz madde bölgelerinde de bölgesel farklılıklar vardır. Bu prosedürü denerken, hareket artefaktlarını azaltmak için hayvanın solunumunu dikkatlice izlemeyi ve anestezi seviyesindeki gecikmeyi ayarlamayı unutmamak önemlidir. Bu, özellikle anormal solunum hızlarına veya prosedürlerin uyarlanmasını gerektirebilecek diğer fizyolojik komplikasyonlara sahip olabilen yaralı sıçanlarda önemlidir.
Genel Bakış
Bu protokol, sıçan omurilik yayılım ağırlıklı manyetik rezonans görüntülemesinin (DWI) yüksek kalitede elde edilmesi sürecini özetlemektedir. Optimize edilmiş MRI teknikleri aracılığıyla doku mikroyapısının invaziv olmayan karakterizasyonuna odaklanır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Tıbbi Görüntüleme
- Omurilik Araştırması
Arka Plan
- Yayılım ağırlıklı MRI, doku mikroyapısının değerlendirilmesi için kritik öneme sahiptir.
- Mevcut yöntemler genellikle klinik uygulanabilirliği sınırlayan ex vivo tarama içerir.
- Bu protokol, in vivo görüntüleme tekniklerini geliştirmeyi amaçlamaktadır.
- Omurilik yaralanmalarının anlaşılması, daha iyi teşhis ve tedavi stratejilerinin geliştirilmesine yol açabilir.
Çalışmanın Amacı
- Sıçan omurilik dokusunun mikroyapısını invaziv olmayan şekilde karakterize etmek.
- Artefakt içermeyen görüntüleme için MRI dizilerini ve analiz yöntemlerini optimize etmek.
- Omurilik yaralanmaları için görüntüleme tekniklerinin klinik uygulamasını kolaylaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Anestezi ve solunum izlemeyi içeren sıçanın hazırlanması.
- Solunum ile senkronize edilmiş özel yayılım ağırlıklı MRI taraması.
- Elde edilen görüntülerdeki duyarlılık artefaktlarının düzeltilmesi.
- Doku özelliklerini analiz etmek için MRI sinyallerinin matematiksel modellenmesi.
Ana Sonuçlar
- Omurilikteki yüksek kaliteli DWI görüntülerin başarılı bir şekilde elde edilmesi.
- Görüntü netliğini artıran etkili artefakt düzeltmesi.
- Doku mikroyapı parametrelerini karşılaştırma yeteneğinin gösterilmesi.
- Omurilik yaralanmalarının teşhisinde klinik uygulama potansiyeli.
Sonuçlar
- Bu protokol, in vivo DWI görüntüleme için güvenilir bir yöntem sağlar.
- Omurilik yaralanmalarının ve iyileşmelerinin anlaşılmasını geliştirir.
- Teknik, klinik kullanım için uyarlanabilir ve teşhis yeteneklerini iyileştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Non-invasive diffusion weighted imaging of the rat cervical spinal cord enables quantitative assessment of tissue microstructure, supporting target validation and mechanistic de-risking in preclinical models of spinal cord injury. This approach provides predictive confidence for therapeutic efficacy by linking imaging biomarkers to pathophysiological changes, informing go/no-go decisions in early discovery. The protocol enhances translational continuity by generating clinically relevant imaging endpoints that can be adapted for diagnostic and prognostic use in CNS drug development programs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying microstructural changes in white and gray matter compartments.
- Operational Value: Supports biological de-risking through longitudinal monitoring of tissue integrity in disease models.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by identifying compounds that mitigate diffusion alterations associated with secondary injury mechanisms.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream screening by establishing baseline diffusion parameters in healthy tissue.
- Quantitative Outputs: Generates diffusivity, kurtosis, and anisotropy maps that serve as reproducible, multidimensional readouts for compound screening.
- Platform Scalability: Enables standardized imaging workflows across laboratories through respiratory gating and artifact correction protocols.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Provides a disease-relevant system for monitoring injury progression and recovery in preclinical spinal cord injury models.
- Translational Biomarker Alignment: Derives imaging biomarkers that correlate with histopathological outcomes, supporting biomarker qualification efforts.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs preclinical go/no-go decisions by quantifying microstructural preservation or restoration following intervention.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from target validation through preclinical development, providing imaging-based metrics that bridge phenotypic screening and mechanistic analysis.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling non-invasive, longitudinal assessment of tissue microstructure in response to pharmacological modulation.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized DWI acquisition and post-processing pipelines that ensure reproducibility across time points and treatment groups.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (e.g., axial and radial diffusivity, fractional anisotropy) that allow comparison of microstructural states across experimental conditions.
- Translational Research: Connects discovery findings to preclinical validation by generating imaging endpoints with direct clinical correlates in spinal cord injury assessment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging capability for CNS portfolio programs requiring non-invasive structural and microstructural phenotyping.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in CNS target engagement and downstream pathophysiological effects.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through respiratory gating, susceptibility correction, and ROI-based quantification.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of ineffective compounds, reducing late-stage failure risk due to lack of target-mediated microstructural effect.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by identifying candidates that demonstrate preservation of spinal cord microstructure, aligning with disease-modifying potential.
Implementation Considerations
- Requires expertise in small-animal MRI setup, anesthesia management, and respiratory gating systems.
- Depends on access to a small-bore animal MRI system capable of high-resolution diffusion weighting and multi-b-value acquisitions.
- Necessitates cross-team standardization of image acquisition protocols, artifact correction procedures, and ROI definition for multi-site studies.
- Involves adaptation considerations across rodent models and injury severities, particularly regarding respiratory stability and motion control.
- Practical limitations include scan time constraints (~25 minutes per session) and the need for precise thermal and physiological monitoring to maintain data quality.
