Summary

Интегрированная фотоакустическая, ультразвуковая и ангиографическая томография (PAUSAT) для неинвазивной визуализации всего мозга при ишемическом инсульте

Published: June 02, 2023
doi:

Summary

Эта работа демонстрирует использование мультимодальной платформы визуализации на основе ультразвука для неинвазивной визуализации ишемического инсульта. Эта система позволяет количественно определять оксигенацию крови с помощью фотоакустической визуализации и нарушение перфузии в головном мозге с помощью акустической ангиографии.

Abstract

Здесь представлено экспериментальное исследование ишемического инсульта с использованием нашей недавно разработанной неинвазивной системы визуализации, которая объединяет три акустические технологии визуализации: фотоакустическую, ультразвуковую и ангиографическую томографию (PAUSAT). Сочетание этих трех методов помогает получить мультиспектральную фотоакустическую томографию (ПАТ) оксигенации крови головного мозга, высокочастотную ультразвуковую визуализацию тканей головного мозга и акустическую ангиографию перфузии церебральной крови. Мультимодальная платформа визуализации позволяет изучать изменения церебральной перфузии и оксигенации во всем мозге мыши после инсульта. Были оценены две широко используемые модели ишемического инсульта: модель постоянной окклюзии средней мозговой артерии (pMCAO) и модель фототромботической (PT). PAUSAT использовался для визуализации одного и того же мозга мыши до и после инсульта и количественного анализа обеих моделей инсульта. Эта система визуализации смогла четко показать сосудистые изменения головного мозга после ишемического инсульта, включая значительное снижение перфузии крови и оксигенации в области инсульта инфаркта (ипсилатерально) по сравнению с неповрежденной тканью (контралатерально). Результаты были подтверждены как лазерной спекл-контрастной визуализацией, так и окрашиванием хлоридом трифенилтетразолия (ТТС). Кроме того, объем инсульта инфаркта в обеих моделях инсульта был измерен и подтвержден окрашиванием TTC в качестве основной истины. Благодаря этому исследованию мы продемонстрировали, что PAUSAT может быть мощным инструментом в неинвазивных и продольных доклинических исследованиях ишемического инсульта.

Introduction

Кровь транспортирует кислород (через белок гемоглобин) и другие важные питательные вещества к тканям нашего организма. Когда поток крови через ткани прерывается (ишемия), может произойти серьезное повреждение тканей, самые непосредственные последствия которого обусловлены недостатком кислорода (гипоксия). Ишемический инсульт является результатом прерванного притока крови к определенной области мозга. Повреждение головного мозга в результате ишемического инсульта может произойти в течение нескольких минут после закупорки сосуда и часто может иметь изнурительные и длительные последствия 1,2. Очень ценной стратегией оценки физиопатологии после ишемического инсульта, а также выявления и тестирования новых методов лечения является использование моделей мелких животных в лаборатории. Методы лечения, обнаруженные в лаборатории, направлены на то, чтобы быть переведенными на клиническое использование и улучшить жизнь пациентов. Тем не менее, использование животных в биомедицинских исследованиях должно быть тщательно оценено в соответствии с принципами 3R Рассела и Берча: замена, сокращение и уточнение3. Цель компонента сокращения состоит в том, чтобы сократить количество животных без ущерба для сбора данных. Имея это в виду, возможность продольной оценки эволюции поражения с помощью неинвазивной визуализации дает большое преимущество в сокращении количества необходимых животных, а также в максимальном увеличении информации, полученной от каждого животного4.

Фотоакустическая томография (ПАТ) представляет собой гибридный метод визуализации, который сочетает в себе контраст оптического поглощения с пространственным разрешениемультразвуковой визуализации 5. Механизм визуализации ПАТ заключается в следующем. На изображаемой цели подсвечивается возбуждающий лазерный импульс. Предполагая, что мишень поглощает свет на длине волны возбуждающего лазера, ее температура будет увеличиваться. Это быстрое повышение температуры приводит к термоупругому расширению мишени. Расширение приводит к тому, что ультразвуковая волна распространяется от мишени. Детектируя ультразвуковую волну во многих положениях, время, необходимое для распространения волны от мишени к детекторам, может быть использовано для создания изображения с помощью алгоритма реконструкции. Способность ПАТ обнаруживать оптическое поглощение в глубоких областях тканей отличает ПАТ от ультразвуковой визуализации, которая обнаруживает границы различных акустических импедансов тканей5. В видимом и ближнем инфракрасном спектрах основными биомолекулами с высокой степенью поглощения, которые в изобилии присутствуют в организмах, являются гемоглобин, липиды, меланин и вода7. Особый интерес при изучении инсульта представляет гемоглобин. Поскольку оксигемоглобин и дезоксигемоглобин имеют разные спектры оптического поглощения, PAT можно использовать с несколькими длинами волн возбуждающего лазера для определения относительной концентрации двух состояний белка. Это позволяет количественно оценить насыщение гемоглобина кислородом (sO2) или оксигенацию крови в области инфаркта 8,9 и за ее пределами. Это важный показатель при ишемическом инсульте, так как он может указывать на уровень кислорода в поврежденной ткани мозга после ишемии.

Акустическая ангиография (АА) – это метод ультразвуковой визуализации с контрастным усилением, который особенно полезен для визуализации морфологии сосудистой сети in vivo10. Метод основан на использовании двухэлементного воблера-преобразователя (низкочастотный элемент и высокочастотный элемент) в сочетании с микропузырьками, вводимыми в кровеносную систему объекта визуализации. Низкочастотный элемент преобразователя используется для передачи на резонансной частоте микропузырьков (например, 2 МГц), в то время как высокочастотный элемент используется для приема супергармонических сигналов микропузырьков (например, 26 МГц). При возбуждении на резонансной частоте микропузырьки имеют сильный нелинейный отклик, что приводит к выработке супергармонических сигналов, которые окружающие ткани организма не производят11. При приеме с помощью высокочастотного элемента это гарантирует, что будут обнаружены только сигналы микропузырьков. Поскольку микропузырьки ограничены кровеносными сосудами, результатом является ангиографическое изображение морфологии кровеносных сосудов. АА является мощным методом визуализации ишемического инсульта, так как микропузырьки, которые протекают через систему кровообращения, не могут течь через заблокированные сосуды. Это позволяет АА выявлять участки мозга, которые не перфузируются из-за ишемического инсульта, что указывает на область инфаркта.

Доклинические исследования ишемического инсульта обычно основаны на использовании гистологии и поведенческого тестирования для оценки локализации и тяжести инсульта. Окрашивание хлоридом трифенилтетразолия (ТТС) является распространенным гистологическим анализом, используемым для определения объема инфаркта инсульта. Однако его можно использовать только в конечной точке, так как он требует эвтаназииживотного 12. Поведенческие тесты могут быть использованы для определения нарушения двигательной функции в несколько моментов времени, но они не могут обеспечить количественные анатомические или физиологические значения13. Биомедицинская визуализация обеспечивает более количественный подход к изучению эффектов ишемического инсульта неинвазивно и продольно 9,14,15. Однако существующие технологии визуализации (такие как магнитно-резонансная томография мелких животных [МРТ]) могут стоить дорого, быть неспособными предоставить одновременную структурную и функциональную информацию или иметь ограниченную глубину проникновения (как большинство методов оптической визуализации).

Здесь мы комбинируем фотоакустическую, ультразвуковую и ангиографическую томографию (PAUSAT; см. системную схему на рисунке 1), что позволяет получить дополнительную структурную и функциональную информацию о перфузии крови и оксигенации после ишемического инсульта16. Это два важных аспекта в оценке тяжести травмы и мониторинге выздоровления или реакции на лечение. Использование этих интегрированных методов визуализации может увеличить объем информации, получаемой каждым животным, уменьшая количество необходимых животных и предоставляя больше информации для изучения потенциальных методов лечения ишемического инсульта.

Figure 1
Рисунок 1: Диаграмма PAUSAT. (A) Полная схема системы PAUSAT, включая лазер и OPO, используемые для PAT. (B) Внутренний вид системы PAUSAT, включая два ультразвуковых преобразователя. Двухэлементный преобразователь воблера используется как для ультразвука в B-режиме, так и для АА, а преобразователь с линейной матрицей используется для PAT. Оба преобразователя установлены на одном и том же 2D-моторизованном столике, что позволяет сканировать его для получения объемных данных. Эта цифра была изменена с16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Protocol

Все процедуры на животных были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию Медицинского центра Университета Дьюка и проводились в соответствии с Политикой Службы общественного здравоохранения США по гуманному уходу и использованию лабораторных животных. Для этих исс…

Representative Results

Визуализация морфологии кровеносных сосудов головного мозгаАА генерирует изображения морфологии кровеносных сосудов, возбуждая микропузырьки в системе кровообращения на их резонансной частоте и получая супергармонический отклик микропузырьков. Используя настраиваему?…

Discussion

Есть несколько жизненно важных аспектов этого метода, которые, если все сделано неправильно, могут привести к значительному снижению качества изображения и количественного анализа. Наиболее часто встречающимся результатом ошибки пользователя в изображениях PAUSAT является либо отсутс?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы выражают благодарность команде инженеров SonoVol Inc. за техническую поддержку. Эта работа была частично спонсирована премией Американской кардиологической ассоциации (18CSA34080277) Дж. Национальные институты здравоохранения США (NIH) предоставляют гранты R21EB027981, R21 EB027304, RF1 NS115581 (BRAIN Initiative), R01 NS111039, R01 EB028143; Премия Национального научного фонда США (NSF) CAREER 2144788; грант Инициативы Чана Цукерберга (2020-226178) Дж. и NIH предоставляет R21NS127163 и R01NS099590 В. Янгу.

Materials

20 GA catheter BD Insyte Autoguard Winged 381534 For mouse intubation
2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride Sigma T8877 Necessary for TTC-staining brain for validation
532nm Laser Quantel Q-smart 850 Laser used to pump the OPO for PAT
Automatic Ventilator Rovent Jr. Kent Scientific RV-JR To keep mice under anesthesia during surgical procedure
Black braided silk 4-0 USP Surgical Specialties SP116 Used for sutures on the neck for pMCAO surgery
Bupivacaine Hospira 0409-1159-18 Used prior to closing wounds during surgical procedure
C57BL/6 Mice Jackson Lab #000664 Mice used for studying ischemic stroke (2-6 month old male/female)
Clear suture Ethicon 8606 Used for closing wound (PT stroke and pMCAO). A clear suture won't interfere with PAT
Cold Light LED Schott KL 1600 Needed to create PT stroke
Disposable Razor Blade Accutec Blades 74-0002 For sectioning mouse brain
Electric drill JSDA JD-700 Used to expose MCA during pMCAO procedure
Electrocauterization tool Wet-Field Wet-Field Bipolar-RG Stops blood flow after drilling during pMCAO procedure
Hair removal gel Veet 8282651 Used to remove hair from mouse prior to imaging
High Temperature Cautery Loop Tip BOVIE Medical Corporation REF AA03 Used to avoid bleeding when separating the temporal muscle from the skull
IR Detector Card Thorlabs VRC5 Used to ensure light path is aligned
Laser Power Meter Ophir StarBright, P/N 7Z01580 Can be used to calibrate the laser energy prior to imaging
Laser Speckle Imaging System RWD Life Science Co. RFLSI-III Can be used to validate stroke surgery success
Lubricant Eye Ointment Soothe AB31336 Can be used to avoid drying of the eyes
Manually adjustable stage Thorlabs L490 Used with custom ramp for multiple focal depth AA imaging
Modified Vega Imaging System Perkin Elmer LLA00061 System containing both B-mode/AA and PAT transducers
Optical Parametric Oscillator Quantel versaScan-L532 Allows for tuning of excitation wavelength in a large range
Programmable Ultrasound System Verasonics Vantage 256 Used for PAT part of system
Rose Bengal Sigma 330000 Necessary to induce PT stroke
Suture LOOK SP116 Used for permanent ligation of CCA
Temperature Contoller Physitemp TCAT-2 Used to maintain stable body temperature of mice during procedures
VesselVue Microbubbles Perkin Elmer P-4007001 Used for acoustic angiography (2.43 × 10^9 microbubbles/mL)

Referenzen

  1. Durukan, A., Tatlisumak, T. Acute ischemic stroke: overview of major experimental rodent models, pathophysiology, and therapy of focal cerebral ischemia. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 87 (1), 179-197 (2007).
  2. Vander Worp, H. B., van Gijn, J. Clinical Practice. Acute ischemic stroke. The New England Journal of Medicine. 357 (6), 572-579 (2007).
  3. Tannenbaum, J., Bennett, B. T. Russell and Burch’s 3Rs then and now: the need for clarity in definition and purpose. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 54 (2), 120-132 (2015).
  4. Hochrainer, K., Yang, W. Stroke proteomics: from discovery to diagnostic and therapeutic applications. Circulation Research. 130 (8), 1145-1166 (2022).
  5. Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nature Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
  6. Aldrich, J. E. Basic physics of ultrasound imaging. Critical Care Medicine. 35 (5), S131-S137 (2007).
  7. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), R37-R61 (2013).
  8. Li, M., Tang, Y., Yao, J. Photoacoustic tomography of blood oxygenation: a mini review. Photoacoustics. 10, 65-73 (2018).
  9. Menozzi, L., Yang, W., Feng, W., Yao, J. Sound out the impaired perfusion: Photoacoustic imaging in preclinical ischemic stroke. Frontiers in Neuroscience. 16, 1055552 (2022).
  10. Gessner, R. C., Frederick, C. B., Foster, F. S., Dayton, P. A. Acoustic angiography: a new imaging modality for assessing microvasculature architecture. International Journal of Biomedical Imaging. 2013, 936593 (2013).
  11. Dayton, P. A., Rychak, J. J. Molecular ultrasound imaging using microbubble contrast agents. Frontiers in Bioscience. 12, 5124-5142 (2007).
  12. Isayama, K., Pitts, L. H., Nishimura, M. C. Evaluation of 2, 3, 5-triphenyitetrazolium chloride staining to delineate rat brain infarcts. Stroke. 22 (11), 1394-1398 (1991).
  13. Ruan, J., Yao, Y. Behavioral tests in rodent models of stroke. Brain Hemorrhages. 1 (4), 171-184 (2020).
  14. Parthasarathy, A. B., Kazmi, S. M. S., Dunn, A. K. Quantitative imaging of ischemic stroke through thinned skull in mice with Multi Exposure Speckle Imaging. Biomedical Optics Express. 1 (1), 246-259 (2010).
  15. Hingot, V., et al. Early ultrafast ultrasound imaging of cerebral perfusion correlates with ischemic stroke outcomes and responses to treatment in mice. Theranostics. 10 (17), 7480-7491 (2020).
  16. Menozzi, L., et al. Three-dimensional non-invasive brain imaging of ischemic stroke by integrated photoacoustic, ultrasound and angiographic tomography (PAUSAT). Photoacoustics. 29, 100444 (2022).
  17. Llovera, G., Roth, S., Plesnila, N., Veltkamp, R., Liesz, A. Modeling stroke in mice: permanent coagulation of the distal middle cerebral artery. Journal of Visualized Experiments. (89), e51729 (2014).
  18. Trotman-Lucas, M., Kelly, M. E., Janus, J., Fern, R., Gibson, C. L. An alternative surgical approach reduces variability following filament induction of experimental stroke in mice. Disease Models & Mechanisms. 10 (7), 931-938 (2017).
  19. Labat-Gest, V., Tomasi, S. Photothrombotic ischemia: a minimally invasive and reproducible photochemical cortical lesion model for mouse stroke studies. Journal of Visualized Experiments. (76), e50370 (2013).
  20. Matsumoto, Y., et al. Visualising peripheral arterioles and venules through high-resolution and large-area photoacoustic imaging. Scientific Reports. 8 (1), 14930 (2018).
  21. Xu, Y., Wang, L. V., Ambartsoumian, G., Kuchment, P. Reconstructions in limited-view thermoacoustic tomography. Medical Physics. 31 (4), 724-733 (2004).
  22. Yal Tang, ., et al. High-fidelity deep functional photoacoustic tomography enhanced by virtual point sources. Photoacoustics. 29, 100450 (2023).
  23. Zheng, W., Huang, C., Zhang, H., Xia, J. Slit-based photoacoustic tomography with co-planar light illumination and acoustic detection for high-resolution vascular imaging in human using a linear transducer array. Biomedical Engineering Letters. 12 (2), 125-133 (2022).
  24. Wang, Y., et al. Slit-enabled linear-array photoacoustic tomography with near isotropic spatial resolution in three dimensions. Optics Letters. 41 (1), 127-130 (2016).
  25. Vu, T., Li, M., Humayun, H., Zhou, Y., Yao, J. A generative adversarial network for artifact removal in photoacoustic computed tomography with a linear-array transducer. Experimental Biology and Medicine. 245 (7), 597-605 (2020).
  26. Zhang, H., et al. Deep-E: A fully-dense neural network for improving the elevation resolution in linear-array-based photoacoustic tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging. 41 (5), 1279-1288 (2022).
  27. Hauptmann, A., et al. Model-based learning for accelerated, limited-view 3-D photoacoustic tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (6), 1382-1393 (2018).
  28. Li, M., et al. Three-dimensional deep-tissue functional and molecular imaging by integrated photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (PAUSAT). IEEE Transactions on Medical Imaging. 41 (10), 2704-2714 (2022).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Menozzi, L., del Águila, Á., Vu, T., Ma, C., Yang, W., Yao, J. Integrated Photoacoustic, Ultrasound, and Angiographic Tomography (PAUSAT) for NonInvasive Whole-Brain Imaging of Ischemic Stroke. J. Vis. Exp. (196), e65319, doi:10.3791/65319 (2023).

View Video