Brain damage resulting from cerebral ischemia may be non-invasively imaged and studied in rats using pre-clinical positron emission tomography coupled with the injectable radioactive probe, 18F-fluorodeoxyglucose. Further, the use of modern software tools that include volume of interest (VOI) brain templates dramatically increase the quantitative information gleaned from these studies.
脳卒中は、年齢のアメリカ人65歳以上の1年上の間で死因の第3位である。脳卒中に苦しむ患者の生活の質は、主に急性脳卒中の臨床治療の現在の不足に起因している患者2の大多数、で正常に戻ることができない。これは、時間をかけて脳組織における脳虚血の生理学的効果を理解することが必要と活発な研究の主要な領域である。この目的に向けて、実験的な進行は陽電子放出断層撮影(PET)イメージング3,10,17と連結など18 F-フルオロデオキシグルコース(FDG)などの非侵襲的な方法を使用して、特に、脳卒中の前臨床モデルとしてラットを用いて行われている。ここでは、ヒトにおける模倣局所性脳虚血、及びFDG-PETを用いて24時間かけてその効果を画像化は、X線コンピュータ断層撮影(CT)に連結されていることを、中大脳動脈閉塞(MCAO)によってラットにおいて脳虚血を誘導するための戦略を提示するAlbira PET-CT装置。 VOIテンプレートアトラスは、続いて脳およびそのサブ領域4の公平な分析を可能にするために、脳ラットデータに融合した。また、FDG-PET-CTの時間経過の3D視覚化するための方法が提供される。要約すると、我々は、開始定量化、およびFDG-PETを用いた三次元に住んでいるのSprague-Dawleyラットで誘発される虚血性脳卒中のイベントを可視化するための詳細なプロトコルを提示する。
脳卒中は、先進国における死亡の主要な原因の一つであり、1〜19のうち、米国人1の死亡の直接の原因である。それは、これらの87%が自然5における虚血性であるそのうちの約795,000人のアメリカ人が、毎年、脳卒中を経験すると推定されている。虚血性イベント中に、皮質ニューロンへの酸素とグルコースの連続供給が著しく影響を受ける脳領域における細胞機能の低下をもたらす低酸素環境を誘導損なわれる。脳卒中の重症度に応じて、脳の血流およびグルコース取り込みは、空間的及び時間的に変化する。
脳卒中による損傷は、18 F-フルオロなどの非侵襲的な方法は、(FDG)ポジトロン放出断層撮影法6によって同定することができる。 FDGは、2 '位にヒドロキシル基が18 F同位体を放出するポジトロンにより置換されているグルコースアナログである。18 FであるのAdvantそれは、脳内のグルコース消費量を検出するために使用することができるように、その長い、110分の半減期に起因ageous。 Fはそのような組織は8非常に代謝的に活性であることを示す、高グルコース消費量の地域で蓄積する傾向がある18としてFDG PETは、脳内の7デオキシグルコース消費量の定量的な高解像度のマップを生成します。 18 F核が急速に計器により検出されるガンマ線を生成する、近くの電子と消滅陽電子を放出する、β崩壊を受ける。 FDG PETスキャンでは、このように、同じ個体における経時的な脳活動の変化を研究するための方法を提供し、スキャンの間に、同一の少なくとも10個の18 Fの半減期を有する個体、または約18時間で繰り返すことができる。
例えば、ラットなどの前臨床動物モデルは、しばしば脳卒中および脳卒中の治療の有効性の効果を評価するために使用される。 FDG PETは、非侵襲的であるので、測定することができる動物の生理機能を中断することなく、時間をかけて脳卒中の影響。脳卒中イベントの位置に応じて、脳の異なる領域が影響を受ける可能性がある。しかし、そのようなラットなどの小動物で、手動で定義し、ラットの脳の特定の領域における活性を定量化することは困難な場合があります。経時的なラットの脳の特定の領域でのグルコース代謝活性を比較するために、定量化されるべき関心のあるボリューム(VOI)は、一貫して描写されなければならない。ラット脳の正確なアトラスは、この問題9を軽減するために開発されており、前臨床FDG-PETデータの定量化に使用するためのデジタル形式に変換されている。ここでは、一貫性のある、整然としたファッションにおける脳卒中の組織損傷を分類する手法を提案する。この方法は、脳卒中の影響を受ける特定の脳小領域を定量化する、動物モデルにおいて脳虚血を開始するための外科的処置の詳細、および脳卒中の程度および位置の三次元視覚化を生成する適切な技術とツールを使用して、組織の損傷。この研究に記載の方法を使用して、研究者は一貫して、ラットにおける脳虚血を開始するPETイメージングを実施し、時間の経過前臨床脳卒中モデルで定義された脳の領域を使用してFDG取り込みの変化を定量することができる。
ここでは、脳卒中誘発、PETイメージング、およびSprague-Dawleyラットにおける組織損傷の標準化された脳の部分領域の測定のための詳細な戦略を提示する。有効である脳卒中の治療は非常に短い治療時間に依存するように、特に脳卒中の領域における小動物モデルの画像化は、有益である。ここでは、ストローク中大脳動脈閉塞を介して誘導された、請求傷害、再灌流モデルを提示し、画像化は、解剖学的参照のためにX線CTと一緒に、PETとFDGを用いて行った。脳の小領域内のFDG摂取の厳格測定はPMOD画像解析ソフトウェア内ラット脳にVOIテンプレートアトラスを正確にマッピングすることにより可能となった。レシオメトリックFDGの値は、異なる動物および時刻pとの間のグローバルFDG PET信号の変動を正規化しながら、損傷の直接的な測定を可能にする、対向する半球の対応する脳の小領域に分割することにより回収したoints。これらの測定値は、一貫して実証同側半球の特定の領域における脳組織のグルコース取り込みの有意な損失、ラット脳における脳卒中の期待される効果と一致している。この方法は、虚血性脳卒中を含む脳損傷の多くの種類を、受けた動物のFDG PETデータセットを比較する能力を増強する可能性がある。脳の半球にわたって、複数の動物にわたって定量化するためにボリュームを標準化することで、この方法は、減少した組織のグルコース取り込みの一貫した測定値を生成する。脳への取り込みと、他のPETトレーサーは、D2受容体のための11 C-ラクロプライドのように、このプロトコルにも21を使用することができることに注意してください。最後に、三次元の高い解剖学的精度でその骨格内ラット脳における虚血性脳卒中を視覚化する方法を記載する。脳卒中誘発性の生理的および機能障害は、撮影のこの非侵襲的な方法、一時的または恒久的な可能性があるため研究者は、ある期間にわたって同じ動物における脳の損傷を評価することを可能にする。それは、神経学的に同じ動物で短期および長期の神経障害を評価するだけでなく、ラットを獲得する方法を提供します。 PMODソフトのテンプレート関数は、精度の一定量の研究者が怪我エリアをマップし、おそらく神経学的後遺症と行動パターンに相関することができます。
脳の部分領域によって脳卒中損傷の正確な定量化のために、重要なステップは、PMOD内ラット脳アトラスのPETデータの整列である。アライメントの矛盾は、虚血の影響を受けた脳の部分領域の不正確な定量化につながることができます。プロトコルステップ4.1.7で説明したように、実験的なPETデータと脳アトラスを位置合わせするための目印として、ハーダー腺を使用することが可能である。パーシャルボリューム効果(PVE)このタイプの分析の間に懸念され、その脳の構造の全体的な解像度が制限されます画像化することができる。信号のスピルオーバーは、隣接するボリューム間で発生する可能性があり、またはVOI自体は、このように方法22を定量的に精度が低下、機器の解像度との関係で小さすぎる可能性があります。これらの研究で使用Albira PETシステムは、以下の3つの検出器リングを備えた1.5mmの23を達成した一環系の対応から進化1.1ミリメートルの分解能をもたらすれる。 Buvatらは、PVE、3-ための5.6〜18.9ミリメートル3の球状のボリュームに対応するであろう2〜3倍全幅半最大(FWHM)でのシステムの分解能よりも小さい直径、と腫瘍の測定結果に影響を与えることに注意してくださいリングAlbira。 Casteels らは最近、8ミリメートル3以上のボリュームが1.1〜1.3ミリメートル24の範囲の解像度を持つ近代的な前臨床PETスキャナのための最小限の部分体積効果を持つことを述べた。シファーアトラスは慎重に念頭に置いて、これらのパラメータを用いて構築し、5を利用してきた8のVOI、8ミリメートル3閾値を下回るの13秋。これらは、右内側前頭前皮質(6.3ミリメートル3、R / L)の左半球のためのVOI、パーA皮質(7.6 mm 3で、R / L)、上丘(7.1ミリメートル3、R / L)を含む、VTA(5.5ミリメートル3、R / L)、下丘(5.7ミリメートル3、R / L)、下垂体(5.9ミリメートル3)、およびCBの血流(5.1ミリメートル3)。また、前頭皮質の測定(1.4ミリメートル3 R / L)は、その小さなサイズにPVEに最も敏感になります。
解剖学的構造の大きさの対応する増加を有するラットなどの大型動物における研究は、確実にマウスと比較して定量化することができる脳の小領域の数が多いであろう。それにもかかわらず、これらの方法は、18のサブ領域から構成されているPMODで利用可能な独自の脳地図を持ったマウスにおける脳イメージングにも適用可能であるPVEを最小限にするようなサイズ。さらに、本研究において記載されているよりもさらに小さな脳領域を識別するためにPETを使用する代替方法を使用して必要とする場合がある。ここで説明する方法は、ライブラットで、脳の部分領域によってセグメント時間をかけて脳組織の損傷、の厳格かつ効率的な定量化を可能にします。虚血に起因する損傷は、ここでは例として示されているが、脳活動の変化を定量するために提示された方法は、ラットの脳に影響を与える他の条件を適用することができる。
結論として、小動物のFDG-PET-CTデータは、非侵襲的かつ経済的な方法で取得することができ、簡便に定量的に小動物イメージングのために使用することができる。 PMODプログラムのシファーテンプレートツールを利用して、脳の虚血領域が図示及びPETデータを測定することができる。これはdevelopmeを推進していきます脳虚血後の脳の再編成、修復、および神経発生の将来の研究のための強力なツールです。無効脳卒中患者の神経治療のNT。この可視化は、組織損傷が別個の撮像モダリティから整列させることができる脳損傷の他の例を評価する際に特に有用であろう。
The authors have nothing to disclose.
This study was supported by a grant from Bruker Molecular Imaging (to WML) and from the NIH (Grant HL019982 to FJC).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Albira PET SPECT CT | Bruker | 3D molecular imaging equipment | |
Sprague Dawley Rats | Charles River Laboratories | 400 | Animal Subjects |
18-F-D-Glucose | Spectron | PET compound | |
micro clamp | FST | artery clamp | |
occluder #4037 | Doccol Corp. | surgical stroke induction |