과 양전자 방출 단층 촬영을 이용하여 비 침습적 영상 및 뇌허혈의 분석 생활 쥐<sup> (18)</sup> F-FDG
Summary
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.
Abstract
뇌졸중은 나이의 미국인 65 세 이상의 1 이전 중 세번째 사망 원인이다. 뇌졸중으로 고통 환자의 삶의 질은 급성 뇌졸중의 임상 치료의 현재 부족에 주로 기인 환자 2의 대다수에 정상으로 돌아 할 수 없습니다. 이것은 시간이 지남에 따라 뇌 조직에 뇌허혈 생리 학적 영향을 이해하고 필요로 활발한 연구의 중요한 분야이다. 이를 위해, 실험 진행은 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 영상 3,10,17과 함께 비 침습적 방법과 같은 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG)를 사용하여, 특히, 뇌졸중에 대한 전임상 모델로 쥐를 사용하여 만들어졌다. 여기에 우리가와 X 선 컴퓨터 단층 촬영 (CT)과 결합 된 FDG-PET을 이용하여 24 시간에 걸쳐 그 효과를 인간 (MCAO) 중간 대뇌 동맥 폐쇄로 쥐 모방 국소 뇌허혈을 뇌허혈을 유도, 및 이미징을위한 전략을 제시 Albira PET-CT 악기. VOI 템플릿 아틀라스 이후 뇌와 하위 영역 (4)의 편견 분석 할 수 있도록 대뇌 쥐 데이터에 융합되었다. 또한, FDG-PET-CT 시간 코스의 3 차원 시각화하기위한 방법이 제시된다. 요약하면, 우리는 시작 정량화하고, FDG-PET을 사용하여 입체적으로 살아있는 스프 라그 – 돌리 쥐에서 유도 된 허혈성 뇌졸중 이벤트를 시각화에 대한 자세한 프로토콜을 제시한다.
Introduction
뇌졸중은 선진국에서 사망의 주요 원인 중 하나이며, 1 19 중 미국 (1)의 죽음에 대한 직접 책임이있다. 그러나, 이들의 87 %는 성격 5 허혈성 원인이되는 약 795,000 미국인들은 매년 뇌졸중이 발생할 것으로 추정되고있다. 허혈성 이벤트 기간 동안, 대뇌 피질의 신경 세포에 산소와 포도당의 지속적인 공급이 심각하게 영향을받는 뇌 영역에서 세포 기능 감소에 이르게 저산소 환경을 유도 손상된다. 스트로크의 심각도에 따른 뇌 혈류 및 글루코즈 흡수는 공간적 및 시간적으로 변화한다.
뇌졸중으로 인한 손상, 비 침습적 방법을 통해 같은 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG) 양전자 방출 단층 촬영 (6)를 식별 할 수 있습니다. FDG는 2 '위치에서 히드 록 실기가 18 F 동위 원소를 방출하는 양전자로 대체되었다 글루코오스 유사체이다. 18는 F이다 advant이 뇌에서 포도당 소모를 검출하는데 사용될 수 있도록 길고 110분 반감기로 인해 ageous. FDG PET은 조직이 8 높은 대사 활성을 나타내는, F가 높은 포도당 소비의 영역에 축적하는 경향이있다 (18)로 뇌 7 내 글루코오스 소비의 양적 고해상도지도를 생성합니다. 18 F 핵 빠르게 장비에 의해 탐지 감마선을 생산, 인근 전자와 함께 전멸 양전자를 방출, 베타 붕괴를 겪게된다. FDG PET 스캔은 이와 같은 개개의 시간 동안 뇌 활동의 변화를 연구 할 수있는 방법을 제공하고, 스캔 사이에서, 적어도 1018 F 반감기, 또는 약 18 시간과 같은 개별로 반복 될 수있다.
래트 등 전임상 동물 모델은 종종 스트로크의 효과 및 뇌졸중의 치료 효과를 평가하기 위해 사용된다. FDG PET 비 침습적이므로,이 측정하는데 사용될 수있다동물의 생리에 영향을주지 않고 시간이 지남에 따라 행정의 효과. 스트로크 이벤트 위치에 따라 뇌의 다른 영역은 영향을받을 수 있습니다. 그러나, 쥐와 같은 작은 동물로, 수동으로 정의하고 도전 할 수있는 쥐의 뇌의 특정 지역에서 활동을 정량화. 시간이 지남에 따라 쥐의 뇌의 특정 영역들에서 글루코스 대사 활성을 비교하기 위해, (VOI)의 정량 관심 볼륨 서술 일관되어야한다. 래트 뇌의 정확한 아틀라스이 문제를 완화 구하도록 개발되었으며, 임상전 FDG-PET 데이터의 정량화에 사용하기위한 디지털 형태로 변환되었다. 여기에서 우리는 일관되고 체계적인 방식으로 행정 조직의 손상을 분류하는 방법을 제시한다. 메소드는 스트로크의 영향 뇌의 특정 서브 – 영역을 정량 동물 모델에서 대뇌 허혈을 개시하기위한 수술 자세히, 뇌졸중 삼차원 정도의 시각화 및 위치를 생산적절한 기술과 도구를 사용하여 조직 손상. 이 연구에 기술 된 방법을 사용하여, 연구자들은 일관 쥐 대뇌 허혈을 개시 PET 이미징을 수행하고 시간의 스트로크 전임상 모델에서 정의 된 뇌 영역을 사용하여 FDG 흡수의 변화를 정량화 할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에서 우리는 스트로크 유도, PET 영상 및 흰쥐에서 조직 손상의 표준화 된 뇌 부분 영역 측정을위한 세부 전략을 제시한다. 스트로크 효과가 치료가 매우 짧은 치료 시간에 따라 다릅니다으로 특히 행정의 영역에서 작은 동물 모델의 이미지는 유리하다. 여기에서 우리는 스트로크 중간 대뇌 동맥 폐색을 통해 유도 된 것을 특징으로 부상 – 재관류 모델을 제시하고, 영상은 해부학 적 기준에 대한 X 선 CT와 함께, PET와 FDG를 사용 하였다. 뇌의 서브 영역 내에서의 FDG 흡수 조직화 측정 PMOD 이미지 분석 소프트웨어 내의 래트 뇌에 VOI 템플릿 아틀라스의 정확한 매핑에 의해 가능하게되었다. FDG 비례 값은 다른 동물과 시간 (P) 사이의 글로벌 FDG PET 신호의 변화를 정상화하면서 손상의 직접적인 측정을 허용하는 대향 뇌 반구의 해당 서브 영역으로 나누어 회수하고oints. 이러한 측정은 일관 보여주는 동측 반구의 특정 영역에서 뇌 조직 당 흡수의 상당한 손실, 래트 뇌 스트로크의 예상 효과와 일치한다. 이 방법론은 허혈성 뇌졸중을 포함한 뇌 외상 많은 유형을 겪는 동물의 FDG PET 데이터 세트를 비교할 수있는 능력을 보강 할 수있는 잠재력을 갖는다. 볼륨을 표준화함으로써 뇌의 반구에 걸쳐 여러 동물에서 정량,이 방법은 감소 조직의 포도당 흡수의 일관된 측정을 생성합니다. D2 수용체 (11) C-raclopride이뿐만 아니라 (21)이 프로토콜을 사용할 수 있습니다처럼, 뇌 흡수와 다른 PET 추적자를합니다. 마지막으로, 우리는 세 가지 차원에서 높은 해부학 적 정확성과의 골격 내에서 쥐의 뇌에 허혈성 뇌졸중을 시각화하는 방법을 설명합니다. 뇌졸중에 의한 생리적 기능 장애는 영상이 비 침습적 방법, 일시적 또는 영구적 일 수 있기 때문에연구자들은 시간의 기간에 걸쳐 동일한 동물에서 뇌 손상을 평가할 수있다. 이 신경 학적으로 같은 동물에서 단기 및 장기 신경 학적 결손을 쥐 점수뿐만 아니라 평가하는 방법을 제공합니다. PMOD 소프트웨어의 템플릿 기능은 정밀도의 일정 금액 연구원은 부상 영역을 매핑하고 아마도 신경 학적 후유증과 행동 패턴에 상관 관계를 할 수 있습니다.
뇌의 하위 영역 뇌졸중 손상의 정확한 정량화를 들어, 키 단계는 PMOD 내에서 쥐의 뇌 아틀라스와 PET 데이터의 정렬입니다. 정렬 불일치는 허혈에 의해 영향을받는 뇌의 하위 영역의 잘못된 정량화 될 수 있습니다. 프로토콜 단계 4.1.7에서 설명 된 바와 같이, 그 PET 실험 데이터와 뇌 아틀라스 정렬을위한 랜드 마크로 harderian 분비를 사용하는 것이 가능하다. 부분 용적 효과 (PVE)는 이러한 유형의 분석 중에 관심사이며, 뇌 구조의 전체 해상도를 제한 할 것이다이미지를 만들 수 있습니다. 신호 스필 인접 볼륨 사이에서 발생할 수 있거나, 또는 그 자체 VOI 따라서 방법 (22)의 정량 정확도를 줄이는 악기의 해상도와 관련하여 너무 작을 수있다. 이러한 연구에서 사용 된 PET Albira 시스템은 세 개의 검출기가 장착 링과 1.5 mm (23)를 달성 한 고리 시스템으로부터 진화 대응 1.1 mm의 분해능을 얻을 수있다. Buvat와 동료는 PVE가, 3- 5.6-18.9 mm 3의 구형 볼륨에 해당하는 것 2 ~ 3 배 전체 폭 절반 최대 (FWHM)의 시스템 해상도보다 작은 직경으로 종양의 측정에 영향을 미칠 것입니다 있습니다 링 Albira. Casteels는 등. 최근 8mm 3보다 큰 볼륨이 1.1-1.3 mm 24의 범위의 해상도를 가진 현대 전임상 PET 스캐너에 대한 최소한의 부분적인 볼륨 영향을 미칠 것이라고 말했다. 쉬퍼 아틀라스주의 깊게 마음에 이러한 매개 변수로 구성, 5를 활용 한8 VOI를, 8mm 3 임계 값 아래의 13 가을. 이러한 권리를 VOI를하고, 내측 전두엽 피질의 왼쪽 반구 (6.3 mm 3, R / L)를 포함, 파 텍스 (7.6 mm 3, R / L), 우수한 둔덕 (7.1 mm 3, R / L) , VTA (5.5 mm 3, R / L), 열등한 둔덕 (5.7 mm 3, R / L), 뇌하수체 (5.9 mm 3)과 CB의 혈류 (5.1 mm 3). 또한, 전두엽 피질 (1.4 mm 3 R / L)의 측정은 작은 크기로 인해 PVE에 가장 민감 할 것이다.
해부학 크기 상응하는 증가가 큰 쥐 등 동물 연구는 마우스에 비해 안정적으로 정량화 될 수있다 뇌 서브 영역보다 많은 수를 가질 것이다. 그럼에도 불구하고,이 방법은 18 하위 영역으로 구성되어 PMOD에서 사용할 수있는 자신의 뇌지도 책이 쥐에서 뇌 영상에 적용 할 수있는PVE를 최소화하기위한 크기. 또한, PET를 사용하여 대안의 방법론을 이용하여 요구할 수있다 본 연구에서 설명 된 것보다 더 작은 뇌 영역의 동정을 행 하였다. 여기에 설명 된 방법은 살아있는 쥐의 뇌 하위 영역으로 분할 된 시간에 뇌 조직 손상의 조직화하고 효율적으로 정량화 할 수 있습니다. 허혈로 인한 손상은 예를 들어 여기에서 입증되지만 뇌 활동의 변화 부량 제시된 방법론은 래트 뇌에 영향을 미치는 다른 조건이 적용될 수있다.
결론적으로, 작은 동물의 FDG-PET-CT 데이터를 비 침습적이고 경제적 인 방식으로 획득 될 수 있고, 편리하게 정량적 방식으로 작은 동물 촬상에 사용될 수있다. PMOD 프로그램 쉬퍼 템플릿 도구를 이용하여, 뇌의 허혈 영역 묘사 및 PET 데이터를 측정 할 수있다. 이 developme에를 촉진 뇌허혈 후 강력한 뇌 구조 조정, 수리의 미래 연구를위한 도구 및 신경입니다장애인 뇌졸중 환자의 신경 치료의 NT. 이 비주얼은 또한 조직 손상은 별도의 영상 기에서 정렬 될 수 뇌 외상, 다른 경우의 평가에 특히 유용 할 것이다.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported by a grant from Bruker Molecular Imaging (to WML) and from the NIH (Grant HL019982 to FJC).
Materials
| 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 |
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