Tomografia fotoacustica, ecografica e angiografica integrata (PAUSAT) per l'imaging non invasivo dell'intero cervello dell'ictus ischemico

Il sangue trasporta ossigeno (attraverso la proteina dell’emoglobina) e altri importanti nutrienti ai tessuti del nostro corpo. Quando il flusso di sangue attraverso i tessuti viene interrotto (ischemia), possono verificarsi gravi danni ai tessuti, i cui effetti più immediati sono dovuti alla mancanza di ossigeno (ipossia). L’ictus ischemico è il risultato di un flusso sanguigno interrotto in una certa regione del cervello. Il danno cerebrale derivante da un ictus ischemico può verificarsi entro pochi minuti dal blocco dei vasi e spesso può avere effetti debilitanti e duraturi ^1,2. Una strategia di grande valore per valutare la fisiopatologia dopo ictus ischemico e identificare e testare nuovi trattamenti è l’uso di modelli di piccoli animali in laboratorio. I trattamenti scoperti in laboratorio mirano a essere tradotti in uso clinico e migliorare la vita dei pazienti. Tuttavia, l’uso di animali nella ricerca biomedica deve essere attentamente valutato secondo i principi 3R di Russell e Burch: sostituzione, riduzione e raffinamento³. L’obiettivo della componente di riduzione è ridurre il numero di animali senza compromettere la raccolta dei dati. Con questo in mente, essere in grado di valutare longitudinalmente l’evoluzione della lesione tramite imaging non invasivo consente un grande vantaggio nel ridurre il numero di animali richiesti, oltre a massimizzare le informazioni ottenute da ciascun animale⁴.

La tomografia fotoacustica (PAT) è una modalità di imaging ibrida che combina il contrasto di assorbimento ottico con la risoluzione spaziale dell’imaging a ultrasuoni⁵. Il meccanismo di imaging di PAT è il seguente. Un impulso laser di eccitazione viene illuminato sul bersaglio ripreso. Supponendo che il bersaglio assorba la luce alla lunghezza d’onda del laser di eccitazione, aumenterà di temperatura. Questo rapido aumento della temperatura si traduce in un’espansione termoelastica del bersaglio. L’espansione fa sì che un’onda ultrasonica si propaghi dal bersaglio. Rilevando l’onda ultrasonica in molte posizioni, il tempo necessario affinché l’onda si propaghi dal bersaglio ai rivelatori può essere utilizzato per creare un’immagine attraverso un algoritmo di ricostruzione. La capacità di PAT di rilevare l’assorbimento ottico nelle regioni dei tessuti profondi differenzia la PAT dall’imaging ad ultrasuoni, che rileva i confini delle diverse impedenze acustiche dei tessuti⁵. Negli spettri del visibile e del vicino infrarosso, le principali biomolecole altamente assorbenti che sono abbondanti negli organismi sono l’emoglobina, i lipidi, la melanina e l’acqua⁷. Di particolare interesse nello studio dell’ictus è l’emoglobina. Poiché l’ossiemoglobina e la deossiemoglobina hanno spettri di assorbimento ottico diversi, la PAT può essere utilizzata con lunghezze d’onda laser ad eccitazione multipla per determinare la concentrazione relativa dei due stati della proteina. Ciò consente di quantificare la saturazione di ossigeno dell’emoglobina (sO₂), o ossigenazione del sangue, all’interno e all’esterno della regione dell’infarto ^8,9. Questa è una misura importante nell’ictus ischemico, in quanto può indicare il livello di ossigeno nel tessuto cerebrale danneggiato dopo ischemia.

L’angiografia acustica (AA) è un metodo di imaging ecografico con mezzo di contrasto particolarmente utile per l’imaging della morfologia della vascolarizzazione in vivo¹⁰. Il metodo si basa sull’uso di un trasduttore oscillante a doppio elemento (un elemento a bassa frequenza e un elemento ad alta frequenza) in combinazione con microbolle iniettate nel sistema circolatorio del soggetto di imaging. L’elemento a bassa frequenza del trasduttore viene utilizzato per trasmettere alla frequenza di risonanza delle microbolle (ad esempio, 2 MHz), mentre l’elemento ad alta frequenza viene utilizzato per ricevere i segnali superarmonici delle microbolle (ad esempio, 26 MHz). Quando eccitate a una frequenza di risonanza, le microbolle hanno una forte risposta non lineare, con conseguente produzione di segnali superarmonici che i tessuti del corpo circostante non producono¹¹. Ricevendo con un elemento ad alta frequenza, questo assicura che vengano rilevati solo i segnali a microbolle. Poiché le microbolle sono confinate ai vasi sanguigni, il risultato è un’immagine angiografica della morfologia dei vasi sanguigni. AA è un potente metodo per l’imaging dell’ictus ischemico, poiché le microbolle che fluiscono attraverso il sistema circolatorio non sono in grado di fluire attraverso i vasi bloccati. Ciò consente all’AA di rilevare regioni del cervello che non sono perfuse a causa dell’ictus ischemico, che indica la regione dell’infarto.

La ricerca preclinica sull’ictus ischemico si basa generalmente sull’uso di istologia e test comportamentali per valutare la posizione e la gravità dell’ictus. La colorazione del cloruro di trifeniltetrazolio (TTC) è un’analisi istologica comune utilizzata per determinare il volume dell’infarto dell’ictus. Tuttavia, può essere utilizzato solo in un endpoint, poiché richiede che l’animale venga eutanasia¹². I test comportamentali possono essere utilizzati per determinare la compromissione della funzione motoria in più punti temporali, ma non possono fornire valori anatomici o fisiologici quantitativi¹³. L’imaging biomedico fornisce un approccio più quantitativo allo studio degli effetti dell’ictus ischemico in modo non invasivo e longitudinale 9,14,15. Tuttavia, le tecnologie di imaging esistenti (come la risonanza magnetica per piccoli animali [MRI]) possono avere un costo elevato, non essere in grado di fornire informazioni strutturali e funzionali simultanee o avere una profondità di penetrazione limitata (come la maggior parte delle tecniche di imaging ottico).

Qui, combiniamo la fotoacustica, l’ecografia e la tomografia angiografica (PAUSAT; vedi diagramma di sistema in Figura 1), che consente informazioni strutturali e funzionali complementari della perfusione sanguigna e dell’ossigenazione dopo ictus ischemico¹⁶. Questi sono due aspetti importanti nella valutazione della gravità della lesione e nel monitoraggio del recupero o della risposta ai trattamenti. L’utilizzo di questi metodi di imaging integrato può aumentare la quantità di informazioni ottenute da ciascun animale, riducendo il numero di animali necessari e fornendo maggiori informazioni nello studio di potenziali trattamenti per l’ictus ischemico.

Figura 1: Diagramma PAUSAT. (A) Schema completo del sistema PAUSAT, compresi il laser e l’OPO utilizzati per PAT. (B) Vista interna del sistema PAUSAT, compresi due trasduttori a ultrasuoni. Il trasduttore oscillante a doppio elemento viene utilizzato sia per gli ultrasuoni B-mode che per AA, mentre il trasduttore lineare viene utilizzato per PAT. Entrambi i trasduttori sono montati sullo stesso palco motorizzato 2D, consentendo la scansione per generare dati volumetrici. Questa cifra è stata modificata da¹⁶. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.