Advanced Diffusion Imaging nell'ippocampo di ratti con lievi lesioni cerebrali traumatiche
Summary
L’obiettivo generale di questa procedura è quello di ottenere informazioni microstrutturali quantitative dell’ippocampo in un ratto con lieve lesione cerebrale traumatica. Questo viene fatto utilizzando un protocollo avanzato di imaging a risonanza magnetica ponderata per la diffusione e un’analisi basata sulla regione di interesse delle mappe di diffusione parametrica.
Abstract
La lesione cerebrale traumatica mite (mTBI) è il tipo più comune di lesione cerebrale acquisita. Poiché i pazienti con lesioni cerebrali traumatiche mostrano un’enorme variabilità ed eterogeneità (età, sesso, tipo di trauma, altre possibili patologie, ecc.), i modelli animali svolgono un ruolo chiave nei fattori di svelamento che sono limitazioni nella ricerca clinica. Forniscono un ambiente standardizzato e controllato per studiare i meccanismi biologici delle lesioni e la riparazione dopo la TBI. Tuttavia, non tutti i modelli animali imitano efficacemente la natura diffusa e sottile di mTBI. Ad esempio, i modelli di impatto corticale controllato (CCI) e lesione di percussioni liquide laterali (LFPI) comunemente usati fanno uso di craniotomia per esporre il cervello e indurre traumi focali diffusi, che non sono comunemente osservati in mTBI. Pertanto, questi modelli sperimentali non sono validi per imitare mTBI. Pertanto, un modello appropriato deve essere utilizzato per esaminare mTBI. Il modello di caduta del peso di Marmarou per i ratti induce alterazioni microstrutturali simili e disturbi cognitivi come si vede nei pazienti che subiscono un trauma lieve; pertanto, questo modello è stato selezionato per questo protocollo. La tomografia computerizzata convenzionale e le scansioni a risonanza magnetica (MRI) di solito non mostrano danni in seguito a una lesione lieve, perché mTBI induce spesso solo lesioni sottili e diffuse. Con la risonanza magnetica ponderata per la diffusione, è possibile studiare le proprietà microstrutturali del tessuto cerebrale, che possono fornire maggiori informazioni sulle alterazioni microscopiche in seguito a un trauma lieve. Pertanto, l’obiettivo di questo studio è quello di ottenere informazioni quantitative di una regione di interesse selezionata (cioè l’ippocampo) per seguire la progressione della malattia dopo aver ottenuto una lesione cerebrale lieve e diffusa.
Introduction
Lesione cerebrale traumatica (TBI) ha guadagnato più attenzione negli ultimi anni, come è diventato chiaro che queste lesioni cerebrali possono provocare conseguenze cognitive, fisiche, emotive e sociali per tutta la vita1. Nonostante questa crescente consapevolezza, Lieve TBI (mTBI, o commozione cerebrale) è ancora spesso sottosegnalato e non diagnosticato. MTBI è stato indicato come un’epidemia silenziosa, e gli individui con una storia di mTBI mostrano tassi più elevati di abuso di sostanze o problemi psichiatrici2. Diversi pazienti con mTBI non vengono diagnosticati ogni anno a causa della natura diffusa e sottile delle lesioni, che spesso non sono visibili sulla tomografia computerizzata convenzionale (TC) o sulle scansioni rm (RMI) a risonanza magnetica. Questa mancanza di prove radiologiche di lesioni cerebrali ha portato allo sviluppo di tecniche di imaging più avanzate come la risonanza magnetica a diffusione, che sono più sensibili ai cambiamenti microstrutturali3.
La risonanza magnetica a diffusione consente la mappatura in vivo della microstruttura, e questa tecnica di risonanza magnetica è stata ampiamente utilizzata negli studi TBI4,5,6. Dal tensore di diffusione, l’anisotropia frazionaria (FA) e la media diffusione (MD) vengono calcolate per quantificare l’alterazione nell’organizzazione microstrutturale a seguito di lesioni. Recenti recensioni in pazienti mTBI segnalano aumenti in FA e diminuzioni in MD a seguito di lesioni, che può essere indicativo di gonfiore assonale7. Contrariamente, si riscontrano anche aumenti di MD e diminuzioni nella FA e sono stati suggeriti per essere alla base di interruzioni nella struttura parenchimale a seguito della formazione di edema, della degenerazione assonale o del disallineamento/rottura delle fibre8. Questi risultati misti possono essere parzialmente spiegati dalla significativa eterogeneità clinica di mTBI causata da diversi tipi di impatto e gravità (ad esempio, accelerazione della rotazione, trauma da corpo contundente, lesioni da scoppio o combinazione del primo). Tuttavia, attualmente non esiste un chiaro consenso sulla patologia sottostante e sulla base biologica/cellulare alla base delle alterazioni nell’organizzazione microstrutturale.
I modelli animali forniscono un’impostazione standardizzata e controllata per studiare i meccanismi biologici delle lesioni e riparare seguendo la TBI in modo più dettagliato. Sono stati sviluppati diversi modelli sperimentali per la TBI che rappresentano diversi aspetti della TBI umana (ad esempio, traumi focali o diffusi o traumi causati da forze rotazionali)9,10. I modelli animali di uso comune includono i modelli di impatto corticalecontrollato (CCI) e le lesioni a percussioni liquide laterali (LFPI) 11,12. Anche se i parametri sperimentali possono essere ben controllati, questi modelli fanno uso di una craniotomia per esporre il cervello. Craniotomie o fratture del cranio non sono comunemente osservate in mTBI; pertanto, questi modelli sperimentali non sono validi per imitare mTBI. Il modello di accelerazione d’impatto sviluppato da Marmarou et al.13 fa uso di un peso che viene lasciato cadere da una certa altezza sulla testa del ratto, che è protetto da un casco. Questo modello animale induce simili alterazioni microstrutturali e disturbi cognitivi come si vede nei pazienti che subiscono traumi lievi. Pertanto, questo modello di goccia di peso Marmarou è appropriato per studiare l’imaging di biomarcatori per mTBI diffuso14,15.
Questo rapporto dimostra l’applicazione della risonanza magnetica a diffusione avanzata in un modello di ratto mTBI utilizzando il modello di caduta del peso Marmarou. Il primo dimostrato è come indurre un trauma lieve e diffuso, e viene quindi fornita l’analisi utilizzando il modello di imaging a tensore di diffusione (DTI). Informazioni biologiche specifiche sono ottenute con l’uso di modelli di diffusione più avanzati [cioè, imaging di curtosi di diffusione (DKI) e modello di integrità del tratto di materia bianca (WMTI)]. In particolare, si infliggono traumi lievi e i cambiamenti microstrutturali vengono quindi valutati nell’ippocampo utilizzando la risonanza magnetica convenzionale a peso T2 e un protocollo avanzato di imaging a diffusione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Poiché mTBI è spesso il risultato di una lesione diffusa e sottile che non mostra anomalie sulla TC e sulle scansioni convenzionali della risonanza magnetica, la valutazione dei danni microstrutturali dopo un trauma lieve rimane una sfida. Pertanto, sono necessarie tecniche di imaging più avanzate per visualizzare l’intera estensione del trauma. L’applicazione della risonanza magnetica a diffusione nella ricerca TBI ha acquisito maggiore interesse nell’ultimo decennio, dove l’imaging a tensore di diffusione è più fr…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare Research Foundation – Flanders (FWO) per aver sostenuto questo lavoro (Numero di sovvenzione: 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)
