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.
Hjerneslag er den tredje største dødsårsaken blant amerikanerne 65 år eller eldre en. Livskvalitet for pasienter som lider av et hjerneslag unnlater å gå tilbake til det normale i et stort flertall av pasientene to, noe som i hovedsak skyldes dagens mangel på klinisk behandling for akutt hjerneslag. Dette nødvendig forstå de fysiologiske virkningene av cerebral iskemi på hjernevev over tid og er et stort område av aktiv forskning. Mot dette formål, har eksperimentell fremgang blitt gjort ved hjelp av rotter som et preklinisk modell for hjerneslag, spesielt ved bruk av ikke-invasive metoder som 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG) kombinert med Positron Emission Tomography (PET) bildebehandling 3,10,17. Her presenterer vi en strategi for å indusere cerebral iskemi hos rotter ved midten cerebral arterieokklusjon (MCAO) som etterligner focal cerebral iskemi hos mennesker, og bildebehandling sine effektene over 24 timer ved hjelp av FDG-PET kombinert med X-ray computertomografi (CT) med en Albira PET-CT instrument. A VOI mal atlas ble senere smeltet til cerebrale rotte data for å muliggjøre en objektiv analyse av hjernen og dens underregioner 4. I tillegg er en fremgangsmåte for 3D-visualisering av FDG-PET-CT tidsforløp presentert. I sammendraget presenterer vi en detaljert protokoll for å initiere, kvantifisere, og visualisere en indusert iskemisk hjerneslag hendelse i en levende Sprague-Dawley rotte i tre dimensjoner ved hjelp av FDG-PET.
Hjerneslag er en av de viktigste årsakene til dødsfall i utviklede land, og er direkte ansvarlig for drapet på en av 19 amerikanere en. Det har blitt anslått at om lag 795 000 amerikanere opplever hjerneslag hvert år, hvorav 87% av disse er iskemisk i naturen fem. I løpet av en iskemisk hendelse, blir kontinuerlig tilførsel av oksygen og glukose til de kortikale nevroner alvorlig svekket indusere et hypoksisk miljø, noe som fører til nedsatt cellulær funksjon i de berørte områder av hjernen. Avhengig av alvorligheten av slag, cerebral blodstrøm og glukoseopptak varierer romlig og tidsmessig.
Skader som følge av hjerneslag kan identifiseres gjennom ikke-invasive metoder, slik som 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG) Positron Emission Tomography 6. FDG er en glukose analog hvor hydroksylgruppen i 2'-stilling er blitt erstattet av positron mitterende 18 F isotop. 18 F er advantageous på grunn av sin lange, 110 minutters halveringstid, slik at den kan brukes til å detektere glukoseforbruk i hjernen. FDG PET gir en kvantitativ høy oppløsning kart over deoksyglukose forbruket i hjernen 7 som 18 F har en tendens til å hope seg opp i regioner med høy glukoseforbruk, noe som indikerer at slike vev er meget metabolsk aktive 8. Den 18 F kjernen gjennomgår beta-forfall, slippe et positron, som raskt annihilates med en nærliggende elektron, som produserer gammastråling, som er oppdaget av instrumentet. FDG PET skanner kan gjentas i samme individ med minst 10 18 F halveringstider, eller om lag 18 timer i mellom skanninger, og dermed gi en måte å studere endringer i hjernens aktivitet over tid i samme individ.
Prekliniske dyremodeller, slik som rotter, blir ofte brukt for å evaluere virkningene av slag og effektiviteten av behandlinger for slag. Siden FDG PET er ikke-invasiv, kan den brukes til å målevirkningene av slag over tid uten å forstyrre fysiologien av dyret. Avhengig av hjerneslag arrangementssted, kan ulike regioner av hjernen påvirkes. Men med små dyr som rotter, manuelt å definere og kvantifisere spesifikke aktiviteten i regionene av rottehjerne kan være utfordrende. For å sammenligne glukose metabolsk aktivitet i bestemte regioner av rotte-hjerne over tid, må volumer av interesse (VOI) som skal kvantifiseres være konsekvent avgrenset. En presis atlas av rottehjernen har blitt utviklet for å lindre dette problemet 9, og har blitt omgjort til digital form for bruk i kvantifisering av prekliniske FDG-PET data. Her presenterer vi en metode for å klassifisere slag vevsskade i en konsekvent, metodisk måte. Metoden beskriver kirurgisk prosedyre for å initiere cerebral iskemi i en dyremodell, kvantifisere spesifikke hjerne subregionene rammet av hjerneslag, og produsere en tredimensjonal visualisering av omfang og lokalisering av hjerneslagvevskade ved bruk av egnede teknikker og verktøy. Ved hjelp av metoden beskrevet i denne studien, kan forskerne konsekvent initiere cerebral iskemi hos rotter, gjennomføre PET billeddiagnostikk, og kvantifisere endringer i FDG opptak ved hjelp av definerte områder av hjernen i prekliniske takts modellene over tid.
Her presenterer vi en detaljert strategi for hjerneslag induksjon, PET billeddiagnostikk, og standardisert hjernen sub-regionen måling av vevsskade i Sprague-Dawley rotter. Avbildning av små dyremodeller, spesielt i området for slag er fordelaktig, da behandling av slag for å være effektiv, avhenger av en ekstremt kort tid terapeutisk. Her presenterer vi en skade-reperfusjon modell, hvor slag ble indusert via en okklusjon til midten cerebral arterie, og bildebehandling utført med FDG med PET, sammen med en X-ray CT for anatomisk referanse. Sjefer målinger av FDG opptak innenfor hjerne subregionene ble gjort mulig ved presis kartlegging av VOI mal atlas på rottehjerne i PMOD bildeanalyse programvare. Proporsjonellekspansjon FDG verdier ble samlet inn ved å dele tilsvarende hjerneunderregioner i motstridende halvkuler, noe som gir en grei måling av skade mens normal for variasjoner i global FDG PET-signal mellom ulike dyr og tid pskjøter. Disse målingene er i overensstemmelse med den forventede virkning av slag på rottehjernen, noe som viser konsekvent, signifikant tap av hjernevev glukoseopptak i visse områder av den ipsilaterale hemisfæren. Denne metodikken har potensiale for å øke evnen til å sammenligne FDG PET-datasett av dyr som gjennomgår mange typer av hjernetraume, inkludert hjerneinfarkt. Ved å standardisere volumer som skal kvantifiseres over halvkuler av hjernen og på tvers av flere dyr, genererer denne metoden konsistente målinger av nedsatt glukoseopptaket i vev. Oppmerksom på at andre PET tracere med hjernen opptak, som 11 C-rakloprid for D2-reseptorer, kan brukes med denne protokollen samt 21. Endelig beskriver vi en fremgangsmåte for å visualisere en iskemisk slag hos et rottehjerne under dens skjelett med høy anatomisk nøyaktighet i tre dimensjoner. Siden hjerneslag-indusert fysiologiske og funksjonssvikt kan være forbigående eller permanent, denne ikke-invasiv metode for bildebehandlingtillater forskere å evaluere hjerneskade hos samme dyr over en tidsperiode. Det gir en måte å nevrologisk scorer rottene, samt vurdere kortsiktige og langsiktige nevrologiske utfall i samme dyr. Malen funksjon av PMOD programvaren tillater forskere med en viss presisjon for å kartlegge skadeområdet og kanskje relatere til nevrologiske følgetilstander og atferdsmønstre.
For nøyaktig kvantifisering av hjerneslag skade av hjerneregion, er det viktig steg justering av PET-data med rottehjerne atlas innenfor PMOD. Uoverensstemmelser i innretting kan føre til feil kvantifisering av hjerneregioner berørt av iskemi. Som beskrevet i protokollen trinn 4.1.7, er det mulig å bruke Harde kjertler som landemerker for innretting hjerneatlas med eksperimentelle data PET. Delvis volumeffekter (PVE) er en bekymring i denne typen analyser, og vil begrense den totale oppløsningen av hjernens struktur somkan avbildes. Signalspillover kan oppstå mellom tilstøtende volumer, eller VOI seg selv kan være for liten i forhold til instrument-oppløsning, og dermed redusere den kvantitative nøyaktigheten av metoden 22. Den Albira PET-systemet brukt i disse studiene er utstyrt med tre detektor ringer og gir en oppløsning på 1,1 mm, som utviklet seg fra tilsvarende en-ringsystem som oppnås 1,5 mm 23. Buvat og medarbeidere oppmerksom på at PVE vil påvirke målinger av tumorer med en diameter som er mindre enn 2-3 x systemoppløsningen ved full bredde halv max (FWHM), noe som ville tilsvare en sfærisk volum på 5,6 til 18,9 mm 3 for 3- ring Albira. Casteels et al. Nylig uttalt at volumene større enn 8 mm 3 vil ha minimal delvise volumeffekter for moderne pre-kliniske PET-skannere med oppløsning i størrelsesorden 1,1-1,3 mm 24. De Schiffer atlas har blitt nøye konstruert med disse parametrene i tankene, og benytter 58 Vois, hvorav 13 faller under 8 mm 3 terskel. Disse inkluderer den VOIS for høyre og venstre hjernehalvdelen av den mediale prefrontale cortex (6,3 mm 3, R / L), Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), den overlegne colliculus (7,1 mm 3, R / L) , VTA (5,5 mm 3, R / L), mindreverdig colliculus (5,7 mm 3, R / L), hypofysen (5,9 mm 3), og CB Blodstrøm (5,1 mm 3). I tillegg vil målinger av frontal cortex (1,4 mm 3 R / L) være mest utsatt for PVE på grunn av sin lille størrelse.
Studier i større dyr som rotter, som har en tilsvarende økning i størrelsen av anatomien, vil ha et større antall hjerne subregioner som kan kvantifiseres i forhold til mus. Likevel, disse metodene er aktuelt for avbildning av hjernen hos mus, som har sin egen hjerne atlas tilgjengelig i PMOD som består av 18 underregioner som erdimensjonert for å minimere PVE. Videre til å bruke PET identifisere enda mindre områder av hjernen enn det som er beskrevet i denne studien kan kreve å bruke alternativ metodikk. Metoden som beskrives her muliggjør sjefer og effektiv kvantifisering av hjernevev skade over tid, segmentert etter hjerneregion, i levende rotter. Skade på grunn av ischemi er vist her som et eksempel, men den metoden som er presentert for kvantifisering av endringer i hjerneaktivitet kan anvendes på en hvilken som helst annen tilstand som påvirker rottehjerne.
I konklusjonen, kan FDG-PET-CT-data av små dyr være kjøpt i en non-invasiv og økonomisk måte, og kan enkelt brukes for små dyr bildebehandling i en kvantitativ måte. Utnytte Schiffer mal verktøyet i PMOD programmet, kan iskemiske områder av hjernen være avgrenset og PET-data målt. Dette er et kraftig verktøy for fremtidige studier av hjernen omorganisering, reparasjon og neurogenesis etter cerebral iskemi som vil fremme development av Nevro-behandlinger til funksjonshemmede slagpasienter. Denne visualiseringen vil også være spesielt nyttig for å vurdere andre tilfeller av hjernetraumer, hvor vevsskade kan justeres fra separate bildediagnostikk.
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 |