Advanced Diffusion Imaging im Hippocampus von Ratten mit leichter traumatischer Hirnverletzung
Summary
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, quantitative mikrostrukturelle Informationen über den Hippocampus bei einer Ratte mit leichter traumatischer Hirnverletzung zu erhalten. Dies geschieht mit einem fortschrittlichen diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographieprotokoll und einer regionsbezogenen Analyse parametrischer Diffusionskarten.
Abstract
Leichte traumatische Hirnverletzung (mTBI) ist die häufigste Art der erworbenen Hirnverletzung. Da Patienten mit traumatischen Hirnverletzungen eine enorme Variabilität und Heterogenität aufweisen (Alter, Geschlecht, Art des Traumas, andere mögliche Pathologien usw.), spielen Tiermodelle eine Schlüsselrolle bei der Entschlüsselung von Faktoren, die in der klinischen Forschung begrenzt sind. Sie bieten eine standardisierte und kontrollierte Einstellung, um die biologischen Mechanismen von Verletzungen und Reparaturen nach TBI zu untersuchen. Allerdings imitieren nicht alle Tiermodelle die diffuse und subtile Natur von mTBI effektiv. Beispielsweise nutzen die häufig verwendeten Modelle der kontrollierten kortikalen Schlagkraft (CCI) und der lateralen Fluid Percussion Injury (LFPI) eine Kraniotomie, um das Gehirn zu entlarven und ein weit verbreitetes fokales Trauma auszulösen, das in mTBI nicht häufig zu beobachten ist. Daher sind diese experimentellen Modelle nicht gültig, um mTBI nachzuahmen. Daher sollte ein geeignetes Modell verwendet werden, um mTBI zu untersuchen. Das Marmarou-Gewichtsabnahmemodell für Ratten induziert ähnliche mikrostrukturelle Veränderungen und kognitive Beeinträchtigungen wie bei Patienten, die ein leichtes Trauma erleiden; Daher wurde dieses Modell für dieses Protokoll ausgewählt. Herkömmliche Computertomographie- und Magnetresonanztomographie-Scans (MRT) zeigen in der Regel keine Schäden nach einer leichten Verletzung, da mTBI oft nur subtile und diffuse Verletzungen indukt. Mit diffusionsgewichteter MRT ist es möglich, mikrostrukturelle Eigenschaften von Hirngewebe zu untersuchen, die mehr Einblick in die mikroskopischen Veränderungen nach einem leichten Trauma geben können. Daher besteht das Ziel dieser Studie darin, quantitative Informationen über eine ausgewählte Region von Interesse (d. h. Hippocampus) zu erhalten, um das Fortschreiten der Krankheit nach einer leichten und diffusen Hirnverletzung zu verfolgen.
Introduction
Traumatische Hirnverletzungen (TBI) haben in den letzten Jahren mehr Aufmerksamkeit gewonnen, da deutlich geworden ist, dass diese Hirnverletzungen zu lebenslangen kognitiven, körperlichen, emotionalen und sozialen Folgen führen können1. Trotz dieses zunehmenden Bewusstseins ist mildes TBI (mTBI, oder Gehirnerschütterung) immer noch oft untergemeldet und nicht diagnostiziert. MTBI wurde als stille Epidemie bezeichnet, und Personen mit einer Geschichte von mTBI zeigen höhere Raten von Substanzmissbrauch oder psychiatrische nümlichen Problemen2. Mehrere Patienten mit mTBI werden jedes Jahr aufgrund der diffusen und subtilen Natur der Verletzungen nicht diagnostiziert, die bei herkömmlichen Computertomographie- (CT) oder Magnetresonanztomographie-Scans (MRT) oft nicht sichtbar sind. Dieser Mangel an radiologischen Beweisen für Hirnverletzungen hat zur Entwicklung fortgeschrittenerer bildgebender Verfahren wie Diffusions-MRT geführt, die empfindlicher auf mikrostrukturelle Veränderungen reagieren3.
Diffusion SMRT ermöglicht in vivo Kartierung der Mikrostruktur, und diese MRT-Technik wurde ausgiebig in TBI-Studien4,5,6verwendet. Aus dem Diffusionstensor werden die fraktionierte Anisotropie (FA) und die mittlere Diffusivität (MD) berechnet, um veränderungen in der mikrostrukturellen Organisation nach einer Verletzung zu quantifizieren. Jüngste Bewertungen bei mTBI-Patienten berichten von einem Anstieg der FA und einem Rückgang der MD nach Verletzungen, die auf axonale Schwellungen hinweisen können7. Im Gegensatz dazu werden auch Zunahmen der MD und Abnahmen der FA festgestellt und es wurde vorgeschlagen, Störungen in der parenchymalen Struktur nach Ödembildung, axonaler Degeneration oder Faserfehlausrichtung/-störung zu unterziehen8. Diese gemischten Befunde lassen sich teilweise durch die signifikante klinische Heterogenität von mTBI erklären, die durch verschiedene Arten von Aufprall und Schweregrad verursacht wird (z. B. Rotationsbeschleunigung, stumpfes Krafttrauma, Explosionsverletzungen oder Kombination ersterer). Derzeit gibt es jedoch keinen klaren Konsens über die zugrunde liegende Pathologie und biologische/zelluläre Grundlage, die Veränderungen in der mikrostrukturellen Organisation untermauert.
Tiermodelle bieten eine standardisierte und kontrollierte Einstellung, um biologische Mechanismen von Verletzungen und Reparaturen nach TBI genauer zu untersuchen. Mehrere experimentelle Modelle für TBI wurden entwickelt und stellen verschiedene Aspekte des menschlichen TBI dar (z.B. fokalvs. diffuses Trauma oder Trauma durch Rotationskräfte)9,10. Häufig verwendete Tiermodelle umfassen die modelle11,12. Obwohl die experimentellen Parameter gut kontrolliert werden können, nutzen diese Modelle eine Kraniotomie, um das Gehirn zu belichten. Craniotomien oder Schädelfrakturen sind in mTBI nicht häufig zu sehen; Daher sind diese experimentellen Modelle nicht für die Nachahmung von mTBI gültig. Das von Marmarou et al.13 entwickelte Schlagbeschleunigungsmodell nutzt ein Gewicht, das aus einer bestimmten Höhe auf den Kopf der Ratte fällt, der durch einen Helm geschützt ist. Dieses Tiermodell induziert ähnliche mikrostrukturelle Veränderungen und kognitive Beeinträchtigungen wie bei Patienten, die ein leichtes Trauma erleiden. Daher eignet sich dieses Marmarou-Gewichtsabfallmodell zur Untersuchung bildgebender Biomarker für diffuse mTBI14,15.
Dieser Bericht veranschaulicht die Anwendung von advanced diffusion MRT in einem mTBI Rattenmodell mit dem Marmarou Gewichtsabnahmemodell. Zuerst wird gezeigt, wie man ein leichtes und diffuses Trauma induziert, und dann wird eine Analyse mit dem Diffusions-Tensor-Bildgebungsmodell (DTI) bereitgestellt. Spezifische biologische Informationen werden mit der Verwendung von fortgeschritteneren Diffusionsmodellen [d. h. Diffusionskurtosis-Bildgebung (DKI) und WMTI-Modell (White Matter Tract Integrity) gewonnen.] Insbesondere werden leichte Traumata zugefügt und mikrostrukturelle Veränderungen werden dann im Hippocampus mit konventionellen T2-gewichteten MRTs und einem fortschrittlichen Diffusions-Bildgebungsprotokoll bewertet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Da mTBI oft das Ergebnis einer diffusen und subtilen Verletzung ist, die keine Anomalien bei CT- und konventionellen MRT-Scans zeigt, bleibt die Bewertung von mikrostrukturellen Schäden nach einem leichten Trauma eine Herausforderung. Daher sind fortschrittlichere bildgebende Verfahren erforderlich, um das volle Ausmaß des Traumas zu visualisieren. Die Anwendung der Diffusions-Magnetresonanztomographie in der TBI-Forschung hat in den letzten zehn Jahren mehr Interesse gewonnen, wo Diffusionstensor-Bildgebung am häufig…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der Forschungsstiftung Flandern (FWO) für die Unterstützung dieser Arbeit (Grant-Nummer: 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 |
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