가벼운 외상성 뇌 손상을 가진 쥐의 해마에 있는 향상된 확산 화상 진찰
Summary
이 절차의 전반적인 목표는 가벼운 외상성 뇌 손상을 가진 쥐에 해마의 양적 미세 구조 정보를 얻는 것입니다. 이것은 파라메트릭 확산지도의 고급 확산 가중 자기 공명 영상 프로토콜 및 관심 영역 기반 분석을 사용하여 수행됩니다.
Abstract
온화한 외상성 뇌 손상 (mTBI)는 취득한 두뇌 상해의 일반적인 모형입니다. 외상성 뇌 손상을 가진 환자는 엄청난 가변성 및 이질성 (나이, 성별, 외상의 모형, 그밖 가능한 병리 등)를 보여주기 때문에, 동물 모형은 임상 연구에 있는 한계인 요인을 해명에 있는 중요한 역할을 합니다. 그(것)들은 TBI 다음 상해 그리고 수리의 생물학 기계장치를 조사하기 위하여 표준화되고 통제된 설정을 제공합니다. 그러나 모든 동물 모델이 mTBI의 확산과 미묘한 특성을 효과적으로 모방하는 것은 아닙니다. 예를 들면, 일반적으로 사용되는 통제된 피질 충격 (CCI) 및 측량 타악기 상해 (LFPI) 모형은 두뇌를 드러내고 mTBI에서 일반적으로 보이지 않는 광범위한 초점 외상을 유도하기 위하여 개두엽을 이용합니다. 따라서 이러한 실험 모델은 mTBI를 모방하는 데 유효하지 않습니다. 따라서 mTBI를 조사하기 위해 적절한 모델을 사용해야 합니다. 쥐에 대 한 Marmarou 무게 드롭 모델 가벼운 외상을 유지 하는 환자에서 볼 수 있듯이 유사한 미세 구조 변경 및 인지 장애를 유도; 따라서 이 프로토콜에 대해 이 모델이 선택되었습니다. mTBI는 종종 단지 미묘하고 확산 부상을 유도하기 때문에 기존의 컴퓨터 단층 촬영 및 자기 공명 영상 (MRI) 검사는 일반적으로 가벼운 부상 다음 손상을 표시하지 않습니다. 확산 가중 MRI를 사용하면 뇌 조직의 미세 구조적 특성을 조사 할 수 있으며 가벼운 외상 후 현미경 변경에 대한 더 많은 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 따라서, 본 연구의 목적은 온화하고 확산된 뇌 손상을 얻은 후 질병 진행을 추적하기 위해 선택된 관심 영역(즉, 해마)의 정량적 정보를 얻는 것이다.
Introduction
외상성 뇌 손상 (TBI)은 최근 몇 년 동안 더 많은 관심을 얻고있다, 이러한 뇌 손상은 평생인지, 신체적, 정서적, 사회적 결과를 초래할 수 있다는 것이 분명해짐에 따라 1. 이 증가 인식에도 불구 하 고, 가벼운 TBI (mTBI, 또는 뇌진탕) 여전히 종종 과소 보고 하 고 진단. MTBI는 침묵하는 전염병으로 언급되고, mTBI의 역사를 가진 개별은 약물 남용또는 정신 문제의 더 높은 비율을 보여줍니다 2. mTBI를 가진 몇몇 환자는 수시로 전통적인 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 또는 자기 공명 화상 진찰 (MRI) 검사에 보이지 않는 상해의 확산 그리고 미묘한 본질 때문에 매년 진단되지 않습니다. 뇌 손상의 방사선 학적 증거의 이 부족은 미세 구조 변화에 더 민감한 확산 MRI와 같은 더진보 된 이미징 기술의 개발로 이어졌다 3.
확산 MRI는 미세 구조의 생체 매핑을 허용하고,이 MRI 기술은 TBI연구 4,5,6에서광범위하게 사용되어왔다. 확산 텐서에서 분수 이방성(FA) 및 평균 확산도(MD)가 계산되어 부상 후 미세 구조 조직의 변경을 정량화합니다. mTBI 환자에 있는 최근 검토는 FA에 있는 증가 및 차축 팽윤7의 표시일 수 있는 상해 다음 MD에 있는 감소. 반대로, MD의 증가와 FA의 감소는 또한 부종 형성, 축축성 변성, 또는 섬유 오정렬/중단에따른 실치구조의 중단을 뒷받침하는 것으로 제안되고 있다 8. 이러한 혼합 된 사실 인정은 다른 유형의 충격 및 심각도 (예를 들어, 회전 가속, 무딘 힘 외상, 폭발 상해 또는 전자의 조합)에 의해 야기 된 mTBI의 유의한 임상 이질성에 의해 부분적으로 설명 될 수있다. 그러나, 현재 는 미세 구조 조직에 있는 변경을 뒷받침하는 근본적인 병리학 및 생물학/세포 기초에 관하여 명확한 합의가 없습니다.
동물 모델은 TBI에 이어 부상및 수리의 생물학적 메커니즘을 보다 자세하게 조사하기 위해 표준화되고 제어된 설정을 제공합니다. TBI에 대한 몇몇 실험 모델은 인간 TBI의 상이한 양상(예를 들어, 초점 대 회전력에의한 확산 외상) 9,10을나타낸다. 일반적으로 사용되는 동물 모델은 제어된 피질 충격(CCI) 및 측면 유체 타악기 손상(LFPI) 모델11,12를포함한다. 실험 적 매개 변수는 잘 제어 될 수 있지만,이 모델은 뇌를 노출하는 개두절제술을 사용합니다. 두개골 또는 두개골 골절은 일반적으로 mTBI에서 볼 수 없습니다; 따라서 이러한 실험 모델은 mTBI를 모방하는 데 유효하지 않습니다. Marmarou 등13에서 개발 한 충격 가속 모델은 헬멧에 의해 보호되는 쥐의 머리에 특정 높이에서 떨어지는 무게를 사용합니다. 이 동물 모델은 가벼운 외상을 유지하는 환자에서 볼 수 있듯이 유사한 미세 구조 변경 및 인지 장애를 유도합니다. 따라서, 이러한 마마루 중량 투하 모델은 확산 mTBI14,15에대한 이미징 바이오마커를 조사하는 데 적합하다.
이 보고서는 Marmarou 중량 투하 모델을 사용하여 mTBI 래트 모델에서 고급 확산 MRI의 적용을 보여줍니다. 먼저 도시된 것은 경증 및 확산 외상을 유도하는 방법, 및 확산 텐서 이미징(DTI) 모델을 이용한 분석이 제공된다. 특정 생물학적 정보는 보다 진보된 확산 모델[즉, 확산 쿠르토시스 이미징(DKI) 및 백색 물질 관 청렴성(WMTI) 모델]의 사용으로 얻어진다. 구체적으로, 온화한 외상이 가해지고 미세 구조적 변화는 기존의 T2 가중 MRI 및 고급 확산 이미징 프로토콜을 사용하여 해마에서 평가됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
mTBI는 CT와 기존 MRI 스캔에 이상을 보이지 않는 확산및 미묘한 부상의 결과이기 때문에 가벼운 외상 후 미세 구조 손상에 대한 평가는 여전히 도전과제로 남아 있습니다. 그러므로, 외상의 전체 범위를 구상하기 위하여 더 진보된 화상 진찰 기술은 필요합니다. TBI 연구에 있는 확산 자기 공명 화상 진찰의 응용은 확산 텐서 화상 진찰이 가장빈번히 이용되는 마지막 십년간 도중 더…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 연구 재단에 감사드립니다 – 플랑드르 (FWO) 이 작품을 지원하기위한 (부여 번호 : 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 |
Referencias
- Carroll, L. J., et al. Systematic Review of the Prognosis After Mild Traumatic Brain Injury in Adults. Cognitive, Psychiatric, and Mortality Outcomes: Results of the International Collaboration on Mild Traumatic Brain Injury Prognosis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 95 (3), S152-S173 (2014).
- Buck, P. W. Mild Traumatic Brain Injury: A Silent Epidemic in Our Practices. Health & Social Work. 36 (4), 299-302 (2011).
- Bodanapally, U. K., Sours, C., Zhuo, J., Shanmuganathan, K. Imaging of Traumatic Brain Injury. Radiologic Clinics of North America. 53 (4), 695-715 (2015).
- Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
- Hulkower, M. B., Poliak, D. B., Rosenbaum, S. B., Zimmerman, M. E., Lipton, M. L. A Decade of DTI in Traumatic Brain Injury: 10 Years and 100 Articles Later. American Journal of Neuroradiology. 34 (11), 2064-2074 (2013).
- Hutchinson, E. B., Schwerin, S. C., Avram, A. V., Juliano, S. L., Pierpaoli, C. Diffusion MRI and the detection of alterations following traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Research. 96 (4), 612-625 (2018).
- Wallace, E. J., Mathias, J. L., Ward, L. Diffusion tensor imaging changes following mild, moderate and severe adult traumatic brain injury: a meta-analysis. Brain Imaging and Behavior. , 1-15 (2018).
- Rutgers, D. R., et al. White Matter Abnormalities in Mild Traumatic Brain Injury: A Diffusion Tensor Imaging Study. American Journal of Neuroradiology. 29 (3), 514-519 (2008).
- Bondi, C. O., et al. Found in translation: Understanding the biology and behavior of experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 58, 123-146 (2015).
- Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
- Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7 (AUG), (2016).
- Lyeth, B. G. Historical Review of the Fluid-Percussion TBI Model. Frontiers in Neurology. 7 (DEC), 1-7 (2016).
- Marmarou, A., Foda, M. A. A. -. E., van den Brink, W., Campbell, J., Kita, H., Demetriadou, K. A new model of diffuse brain injury in rats. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Heim, L. R., et al. The Invisibility of Mild Traumatic Brain Injury: Impaired Cognitive Performance as a Silent Symptom. Journal of Neurotrauma. 34 (17), 2518-2528 (2017).
- Zohar, O., Rubovitch, V., Milman, A., Schreiber, S., Pick, C. G. Behavioral consequences of minimal traumatic brain injury in mice. Acta Neurobiol Exp (Wars. 71 (1), 36-45 (2011).
- Pierpaoli, C., Basser, P. J. Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 36 (6), 893-906 (1996).
- Jensen, J. H., Helpern, J. A. MRI quantification of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis. NMR in Biomedicine. 23 (7), 698-710 (2010).
- Fieremans, E., Jens, H., Jensen, J. A. H. White matter characterization with diffusional kurtosis imaging. NeuroImage. 58, 177-188 (2011).
- Leemans, A. . Explore DTI. , (2019).
- Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis. Molecular Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
- Veraart, J., et al. Denoising of diffusion MRI using random matrix theory. NeuroImage. 142, 394-406 (2016).
- Veraart, J., Fieremans, E., Novikov, D. S. Diffusion MRI noise mapping using random matrix theory. Magnetic Resonance in Medicine. 76 (5), 1582-1593 (2016).
- Braeckman, K., et al. Dynamic changes in hippocampal diffusion and kurtosis metrics following experimental mTBI correlate with glial reactivity. NeuroImage: Clinical. 21 (August 2018), 101669 (2019).
- Jones, D. K., Knösche, T. R., Turner, R. White matter integrity, fiber count, and other fallacies: The do’s and don’ts of diffusion MRI. NeuroImage. 73, 239-254 (2013).
- . Matlab code DKI and WMTI model Available from: https://github.com/NYU-DiffusionMRI/Diffusion-Kurtosis-Imaging (2019)
