Niet-invasieve beeldvorming en analyse van cerebrale ischemie in Living Ratten met behulp van positron emissie tomografie met<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
Beroerte is de derde belangrijkste doodsoorzaak onder Amerikanen van 65 jaar of ouder 1. De kwaliteit van leven voor patiënten die lijden aan een beroerte niet om terug te keren naar normaal in een grote meerderheid van de patiënten 2, dat is vooral te wijten aan de huidige gebrek aan klinische behandeling voor acute beroerte. Dit vereist inzicht in de fysiologische effecten van cerebrale ischemie op hersenweefsel in de tijd en is een belangrijk gebied van actief onderzoek. Om dit te bereiken is experimentele vooruitgang geboekt met ratten als preklinisch model voor beroerte, in het bijzonder niet-invasieve methoden zoals 18F-fluordeoxyglucose (FDG) gekoppeld Positron Emissie Tomografie (PET) beeldvorming 3,10,17. Hier presenteren we een strategie voor het induceren van cerebrale ischemie bij ratten middelste cerebrale arterie occlusie (MCAO) dat werkt als focale cerebrale ischemie bij mensen en beeldvorming blijven doorwerken in 24 uur met FDG-PET gekoppeld Röntgenstraal computertomografie (CT) met een Albira PET-CT instrument. Een VOI template atlas werd vervolgens gefuseerd met de cerebrale gegevens rat aan een onpartijdige analyse van de hersenen en zijn subregio's 4 mogelijk te maken. Daarnaast wordt een werkwijze voor 3D-visualisatie van de FDG-PET-CT tijdsverloop gepresenteerd. Samengevat presenteren we een gedetailleerd protocol voor het initiëren, kwantificeren en visualiseren van een geïnduceerde ischemische beroerte gebeurtenis in een levend Sprague-Dawley ratten in drie dimensies met FDG-PET.
Introduction
Beroerte is een van de belangrijkste doodsoorzaken in de ontwikkelde landen, en is direct verantwoordelijk voor de dood van 1 van de 19 Amerikanen 1. Er wordt geschat dat ongeveer 795.000 Amerikanen ervaren beroerte per jaar, waarvan 87% van deze zijn ischemische in de natuur 5. Tijdens een ischemische gebeurtenis, wordt continue toevoer van zuurstof en glucose naar de corticale neuronen ernstig verminderde induceren van een hypoxische omgeving, wat leidt tot cellulaire functie verminderd bij getroffen hersengebieden. Afhankelijk van de ernst van de beroerte, cerebrale doorbloeding en glucoseopname varieert in ruimte en tijd.
Schade door beroerte kan worden geïdentificeerd via niet-invasieve werkwijzen, zoals 18F-fluordeoxyglucose (FDG) Positron Emissie Tomografie 6. FDG is een glucose-analogon waarin de hydroxylgroep op de 2'-positie vervangen door positron emitterende 18F isotoop. 18F is Advantageous vanwege zijn lange, 110 minuten halfwaardetijd, waardoor het kan worden gebruikt om glucose gebruik in de hersenen gedetecteerd. FDG PET produceert een kwantitatief hoge resolutie kaart van deoxyglucose verbruik binnen de hersenen 7 als 18 F accumuleert in gebieden van hoge glucose verbruik, wat aangeeft dat dergelijke weefsels zijn zeer metabolisch actief 8. De 18F kern ondergaat bèta-verval, het vrijgeven van een positron, die snel vernietigt met een nabijgelegen elektronen produceren gammastralen die worden gedetecteerd door het instrument. FDG PET scans te herhalen in dezelfde persoon met ten minste 10 18 F halfwaardetijden, of ongeveer 18 uur, tussen scans, waardoor een manier om veranderingen in hersenactiviteit volgen over de tijd in hetzelfde individu.
Preklinische diermodellen, zoals ratten, worden vaak gebruikt om de effecten van beroertes en de effectiviteit van behandelingen voor beroerte evalueren. Omdat FDG PET niet-invasief kan worden gebruikt voor het metende gevolgen van een beroerte tijd zonder verstoring van de fysiologie van het dier. Afhankelijk van de slag gebeurtenis plaats kunnen verschillende gebieden van de hersenen worden beïnvloed. Echter, met kleine dieren zoals ratten, handmatig definiëren en kwantificeren op specifieke gebieden van de rattenhersenen kan lastig zijn. Om glucose metabole activiteit vergelijken in specifieke gebieden van de rattenhersenen tijd moet volumes plaats (VOI) te kwantificeren consequent worden afgebakend. Een nauwkeurige atlas van de hersenen rat is ontwikkeld om dit probleem 9 te verlichten, en is omgezet in digitale vorm voor gebruik in de kwantificering van preklinische FDG-PET-data. Hier presenteren we een methode om een beroerte weefselschade op een consistente, methodische manier te classificeren. De werkwijze beschrijft de chirurgische procedure voor het inleiden cerebrale ischemie in een diermodel, kwantificeren specifieke hersengebieden deelgebieden getroffen door een beroerte, en produceren een driedimensionale visualisatie van de omvang en locatie van een beroerteweefselbeschadiging met de juiste technieken en gereedschappen. Met behulp van de in deze studie beschreven methodiek, kunnen onderzoekers consequent initiëren cerebrale ischemie in proefdieren, gedrag PET-beeldvorming, en kwantificeren veranderingen in FDG opname met behulp van gedefinieerde gebieden van de hersenen in preklinische takt modellen in de tijd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier presenteren we een gedetailleerde strategie beroerte inductie, PET en gestandaardiseerde brain subregio meting van weefselschade in Sprague-Dawley ratten. Beeldvorming van kleine diermodellen, met name op het gebied van beroerte is gunstig, als behandeling voor beroerte effectief is afhankelijk van een zeer korte tijd therapeutisch. Hier presenteren we een blessure-reperfusie model, waarbij beroerte werd geïnduceerd door occlusie in de middelste cerebrale slagader, en beeldvorming uitgevoerd met FDG PET, naast een röntgen CT anatomische referentie. Gedisciplineerd metingen van FDG opname in de hersenen subregio's werd mogelijk gemaakt door nauwkeurig in kaart brengen van de VOI template atlas op de hersenen van de rat binnen de PMOD software voor beeldanalyse. Ratiometrische FDG waarden werden verzameld door corresponderende hersenen subregio's te delen in tegengestelde halve bollen, die een eenvoudige meting van de schade mogelijk maakt, terwijl het normaliseren van de variaties in de wereldwijde FDG-PET-signaal tussen verschillende dieren en tijd points. Deze metingen zijn consistent met het verwachte effect van de slag op de rattenhersenen, tonen consistent, aanzienlijk verlies van hersenweefsel glucoseopname in bepaalde gebieden van de ipsilaterale hemisfeer. Deze methode heeft het potentieel om ons vermogen om FDG PET datasets van dieren die vele soorten hersentrauma, waaronder ischemische beroerte vergelijken vergroten. Door het standaardiseren van de volumes te worden gekwantificeerd aan de overkant van hemisferen van de hersenen en over meerdere dieren, deze methode genereert consistente metingen van verminderde opname weefsel glucose. Merk op dat andere PET-tracers met hersenen opname, net als 11 C-raclopride voor D2-receptoren, kunnen worden gebruikt met dit protocol ook 21. Tenslotte wordt een werkwijze beschrijven we een ischemische beroerte in rattenhersenen in zijn skelet met grote anatomische nauwkeurigheid driedimensionaal visualiseren. Sinds-takt geïnduceerde fysiologische en functionele stoornissen tijdelijk of blijvend zijn, deze niet-invasieve methode van beeldvorming kan zijnOnderzoekers kunnen hersenbeschadiging hetzelfde dier evalueren gedurende een tijdsperiode. Het biedt een manier om neurologisch score van de ratten, alsmede beoordeling van de korte en lange termijn neurologische tekorten in hetzelfde dier. De template functie van de PMOD software maakt onderzoekers een zekere nauwkeurigheid de schade Plan en misschien correleren met neurologische sequelae en gedragspatronen.
Voor een nauwkeurige kwantificering van een beroerte schade door de hersenen subregio, de belangrijkste stap is uitlijning van de PET-gegevens met de hersenen van de rat atlas binnen PMOD. Inconsistenties in afstemming kan leiden tot een onjuiste kwantificering van de hersenen subregio's getroffen door ischemie. Zoals beschreven in het protocol stap 4.1.7, is het mogelijk om de harderian klieren plaatsen gebruiken voor het uitlijnen van de hersenatlas experimentele PET data. Gedeeltelijke volume-effecten (PVE) zijn een probleem bij dit type analyse en het algehele van hersenoedeem bouwhoogte mogelijk datkan worden afgebeeld. Signal spill optreden tussen aangrenzende volumes of de VOI zelf kunnen te klein in verhouding tot de oplossing instrument, waardoor de kwantitatieve nauwkeurigheid van de werkwijze 22 wordt verminderd. Het Albira PET wordt gebruikt in deze studies heeft drie detector ringen en levert een resolutie van 1,1 mm, die geëvolueerd van overeenkomstige ringsysteem dat van 1,5 mm 23. Buvat en collega mee dat PVE invloed metingen van tumoren met een diameter kleiner dan 2-3x de systeemresolutie bij volledige breedte half maximum (FWHM), wat overeenkomt met een sferisch volume van 5,6-18,9 mm 3 door 3- ring Albira. Casteels et al. Onlangs verklaard dat hoeveelheden van meer dan 8 mm 3 minimale gedeeltelijke volume-effecten moderne preklinische PET scanners de resolutie in het gebied van 1,1-1,3 mm 24 zal hebben. De Schiffer atlas is zorgvuldig gebouwd met deze parameters in het achterhoofd, en maakt gebruik van 58 VOI's, waarvan er 13 vallen onder de 8 mm 3 drempel. Deze omvatten de VOI's voor de rechter en linker hemisfeer van de mediale prefrontale cortex (6,3 mm 3, R / L), de Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), de superior colliculus (7,1 mm 3, R / L) , de VTA (5,5 mm 3, R / L), colliculus inferior (5,7 mm 3, R / L), hypofyse (5,9 mm 3), en de CB doorbloeding (5,1 mm 3). Bovendien zullen metingen van de frontale cortex (1,4 mm 3 R / L) de meest gevoelige PVE vanwege zijn kleine omvang.
Studies in grotere dieren zoals ratten, die een overeenkomstige toename van de omvang van de anatomie, zal een groter aantal hersenen deelgebieden die betrouwbaar kan worden gekwantificeerd vergeleken muizen. Niettemin zijn deze werkwijzen voor beeldvorming in muizen, die hun eigen hersenatlas in PMOD die bestaat uit 18 subgebieden die hebbenbemeten PVE minimaliseren. Verder gebruik PET nog kleiner hersengebieden dan beschreven in deze studie vereisen alternatieve methode identificeren. De hier beschreven methode maakt gereglementeerd en efficiënte kwantificering van beschadiging van hersenweefsel tijd, gesegmenteerd hersenen subregio in levende ratten. Letsel door ischemie wordt hier getoond als een voorbeeld, maar de met betrekking tot kwantificering van veranderingen in hersenactiviteit methodologie kan worden toegepast op elke andere aandoening de rattenhersenen.
Concluderend kan FDG-PET-CT-gegevens van kleine dieren worden verkregen op een niet-invasieve en economische wijze, en kan gemakkelijk worden gebruikt voor kleine dieren beeldvorming in een kwantitatieve wijze. Gebruik makend van de Schiffer sjabloonhulpmiddel van de PMOD programma kunnen ischemische gebieden van de hersenen worden afgebakend en de PET-gegevens gemeten. Dit is een krachtig hulpmiddel voor de toekomstige studie van de hersenen reorganisatie, reparatie, en neurogenese na cerebrale ischemie dat developme zal bevorderennt van neuro-therapieën van gehandicapte patiënten met een beroerte. Deze visualisatie zal ook bijzonder nuttig zijn bij het evalueren van andere gevallen van hersentrauma, waar de weefselschade kan worden uitgelijnd uit afzonderlijke beeldvormende modaliteiten.
Disclosures
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 |
References
- Minino, A. M., Murphy, S. L., Xu, J., Kochanek, K. D. Deaths: final data for 2008. Natl Vital Stat Rep. 59, 1-126 (2011).
- Niemi, M. L., Laaksonen, R., Kotila, M., Waltimo, O. Quality of life 4 years after stroke. Stroke. 19, 1101-1107 (1988).
- Ter-Pogossian, M. M., Phelps, M. E., Hoffman, E. J., Mullani, N. A. A positron-emission transaxial tomograph for nuclear imaging. 114, 89-98 (1975).
- Schiffer, W. K., et al. Serial microPET measures of the metabolic reaction to a microdialysis probe implant. J Neurosci Methods. 155, 272-284 (2006).
- Roger, V. L., et al. Heart disease and stroke statistics–2012 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 125, e2-e220 (2012).
- Heiss, W. D., et al. Progressive derangement of periinfarct viable tissue in ischemic stroke. J Cereb Blood Flow Metab. 12, 193-203 (1992).
- Foster, N. L., et al. Alzheimer’s disease: focal cortical changes shown by positron emission tomography. Neurology. 33, 961-965 (1983).
- Bustamante, E., Pedersen, P. L. High aerobic glycolysis of rat hepatoma cells in culture: role of mitochondrial hexokinase. Proc Natl Acad Sci U S A. 74, 3735-3739 (1977).
- Toga, A. W., Santori, E. M., Hazani, R., Ambach, K. A 3D digital map of rat brain. Brain Res Bull. 38, 77-85 (1995).
- Yuan, H., et al. Saptiotemporal uptake characteristics of [18]F-2-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose in a rat middle cerebral artery occlusion model. Stroke. 44, (2013).
- Nemoto, E. M., Hossmann, K. A., Cooper, H. K. Post-ischemic hypermetabolism in cat brain. Stroke. 12 (5), 666-676 (1981).
- Sachdev, P. S., Chen, X., Joscelyne, A., Wen, W., Brodaty, H. Amygdala in stroke/transient ischemic attack patients and its relationship to cognitive impairment and psychopathology: the Sydney stroke study. Am. J. Geriatr. Psychiatry. 15, 487-496 (2007).
- Nagasawa, H., Kogure, K. Correlation between cerebral blood flow and histologic changes in a new rat model of middle cerebral artery occlusion. Stroke. 20, 1037-1043 (1989).
- Hauber, W., Schmidt, W. J. Differential effects of lesions of the dorsomedial and dorsolateral caudate-putamen on reaction time performance in rats. Behavioral Brain Research. 60, 211-215 (1994).
- Davis, A. E., Gimenez, A. M., Therrien, B. Effects of entorhinal cortex lesions on sensory integration and spatial learning. Nurs. Res. 50, 77-85 (2001).
- Hausler, R., Levine, R. A. Auditory dysfunction in stroke. Acta Otolaryngol. 120, 689-703 (2000).
- Cechetto, D. F., Wilson, J. X., Smith, K. E., Wolski, D., Silver, M. D., Hachinski, V. C. Autonomic and myocardial changes in middle cerebral artery occlusion: stroke models in the rat. Brain Res. 502, 5296-5305 (1989).
- Carmichael, S. T., Wei, L., Rovainen, C. M., Woolsey, T. A. New patterns of intracortical projections after focal cortical strike. Neurobiol. of Disease. 8, 910-922 (2001).
- Failor, S., et al. Neonatal cerebral hypoxia-ischemia impairs plasticity in rat visual cortex. J. Neurosci. 30, 81-92 (2010).
- Wurtz, R. H., Albano, J. E. Visual-motor function of the primate superior colliculus. Ann. Rev. Neurosci. 3, 189-226 (1980).
- Kuhn, F. P., et al. Comparison of PET template-based and MRI-based image processing in the quantitative analysis of C11-raclopride PET. EJNMMI Res. 4 (1), 7 (2014).
- Soret, M., Bacharach, S. L., Buvat, I. Partial-Volume Effect in PET Tumor Imaging. J. Nuc. Med. 48, 932-945 (2007).
- Sanchez, F., et al. ALBIRA: A Small Animal PET/SPECT/CT Imaging System. Med. Phys. 40 (5), 051906 (2013).
- Casteels, C., et al. Construction and Evaluation of Quantitative Small-Animal PET Probabilistic Atlases for [18F]FDG and [18F]FECT Functional Mapping of the Mouse Brain. PLOS One. 8 (6), e65286 (2013).
