التصوير الانتشار المتقدم في الحصين من الفئران مع إصابات الدماغ صدمة خفيفة
Summary
الهدف العام لهذا الإجراء هو الحصول على معلومات الكمية الميكروالهيكلية من الحصين في الفئران مع إصابة الدماغ صدمة خفيفة. ويتم ذلك باستخدام بروتوكول التصوير بالرنين المغناطيسي المتقدم المرجح بالانتشار والتحليل القائم على منطقة الاهتمام لخرائط الانتشار البارامتري.
Abstract
إصابة الدماغ الصادمة الخفيفة (mTBI) هي النوع الأكثر شيوعًا من إصابات الدماغ المكتسبة. وبما أن المرضى الذين يعانون من إصابات الدماغ الصادمة يظهرون تبايناً هائلاً وتبايناً هائلاً (العمر، ونوع الجنس، ونوع الصدمة، وغيرها من الأمراض المحتملة، وما إلى ذلك)، فإن النماذج الحيوانية تلعب دوراً رئيسياً في كشف العوامل التي هي قيود في البحوث السريرية. وهي توفر بيئة موحدة وخاضعة للرقابة للتحقيق في الآليات البيولوجية للإصابة والإصلاح بعد TBI. ومع ذلك، ليست جميع النماذج الحيوانية تحاكي الطبيعة المنتشرة وخفية من mTBI على نحو فعال. على سبيل المثال، تستخدم نماذج تأثير القشرية (CCI) وإصابات قرع السوائل الجانبية (LFPI) الشائعة الاستخدام استخدامًا لاستئصال الجمجمة لفضح الدماغ والحث على الإصابة البؤرية الواسعة النطاق، والتي لا يُنظر إليها عادةً في mTBI. لذلك، هذه النماذج التجريبية غير صالحة لتقليد mTBI. وبالتالي، ينبغي استخدام نموذج مناسب للتحقيق في mTBI. نموذج انخفاض وزن مارمارو للفئران يحفز تغييرات هيكلية صغيرة مماثلة والعاهات المعرفية كما رأينا في المرضى الذين يعانون من صدمة خفيفة; لذلك، تم اختيار هذا النموذج لهذا البروتوكول. التصوير المقطعي المحوسب التقليدي والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) عادة ما تظهر أي ضرر بعد إصابة خفيفة، لأن mTBI غالبا ما يسبب فقط إصابات خفية ومنتشرة. مع انتشار التصوير بالرنين المغناطيسي المرجح، فمن الممكن التحقيق في الخصائص الهيكلية الدقيقة لأنسجة الدماغ، والتي يمكن أن توفر المزيد من البصيرة في التعديلات المجهرية بعد صدمة خفيفة. ولذلك، فإن الهدف من هذه الدراسة هو الحصول على معلومات كمية من منطقة مختارة من الاهتمام (أي الحصين) لمتابعة تطور المرض بعد الحصول على إصابة خفيفة ومنتشرة في الدماغ.
Introduction
وقد اكتسبت إصابات الدماغ الصادمة (TBI) المزيد من الاهتمام في السنوات الأخيرة، كما أصبح من الواضح أن هذه الإصابات في الدماغ يمكن أن تؤدي إلى عواقب معرفية وجسدية وعاطفية واجتماعية مدى الحياة1. على الرغم من هذا الوعي المتزايد، لا يزال يتم الإبلاغ عن TBI خفيفة (mTBI، أو ارتجاج) في كثير من الأحيان أقل من المبلغ عنها وغير مشخصة. وقد أشير إلى MTBI كوباء صامت، والأفراد الذين له تاريخ من mTBI تظهر معدلات أعلى من تعاطي المخدرات أو المشاكل النفسية2. العديد من المرضى الذين يعانون من mTBI تذهب دون تشخيص كل عام بسبب الطبيعة المنتشرة وخفية من الإصابات، والتي غالبا ما تكون غير مرئية على التصوير المقطعي المحوسب التقليدي (CT) أو التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المسح الضوئي. وقد أدى هذا النقص في الأدلة الإشعاعية لإصابة الدماغ إلى تطوير تقنيات تصوير أكثر تقدما مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الانتشار، والتي هي أكثر حساسية للتغيرات الإنشائية الدقيقة3.
نشر التصوير بالرنين المغناطيسي يسمح في رسم الخرائط الحية للبنية الدقيقة، وقد استخدمت هذه التقنية التصوير بالرنين المغناطيسي على نطاق واسع في دراسات TBI4،5،6. من ال [أوستور] انتشار, حسابت إنسات كسريّة ([فا]) و [ديفّسّي] معدّلة ([مد]) أن كمّيّة تغير في التنظيم [ميكروستروكتثرل] يتبع إصابة. الاستعراضات الأخيرة في مرضى mTBI تقرير الزيادات في اتحاد كرة القدم وانخفاض في MD بعد الإصابة, والتي يمكن أن تكون مؤشرا على تورم axonal7. على العكس من ذلك، يتم العثور على زيادات في MD وتخفيضات في اتحاد كرة القدم أيضا، واقترح أن تكمن وراء الاضطرابات في بنية parenchymal بعد تشكيل وذمة، انحطاط أكسونال، أو اختلال الألياف / تعطيل8. ويمكن تفسير هذه النتائج المختلطة جزئيا ً بالتغاير السريري الكبير لـ mTBI الناجم عن أنواع مختلفة من التأثير والخطورة (على سبيل المثال، تسارع الدوران، صدمة القوة الحادة، إصابة الانفجار أو مزيج من الأول). ومع ذلك، لا يوجد في الوقت الراهن توافق واضح في الآراء بشأن الأمراض الأساسية والأساس البيولوجي/الخلوي الذي تقوم عليه التعديلات في المنظمة الجزئية.
توفر النماذج الحيوانية إعدادًا موحدًا وخاضعًا للرقابة للتحقيق في الآليات البيولوجية للإصابة والإصلاح بعد TBI بمزيد من التفصيل. وقد وضعت عدة نماذج تجريبية لTBI وتمثل جوانب مختلفة من TBI الإنسان (على سبيل المثال،التركيز مقابل الصدمات المنتشرة أو الصدمة الناجمة عن قوات التناوب) 9،10. وتشمل النماذج الحيوانية الشائعة الاستخدام تأثير القشرية الخاضعة للرقابة (CCI) وإصابات قرع السوائل الجانبية (LFPI) نماذج11،12. على الرغم من أن المعلمات التجريبية يمكن التحكم فيها بشكل جيد، فإن هذه النماذج تستفيد من استئصال الجمجمة لفضح الدماغ. لا ينظر عادة إلى استئصال الجمجمة أو كسور الجمجمة في mTBI. لذلك، هذه النماذج التجريبية غير صالحة لتقليد mTBI. ويستخدم نموذج تسارع الارتطام الذي وضعه مارمارو وآخرون13 الوزن الذي يسقط من ارتفاع معين على رأس الفأر، الذي تحميه خوذة. هذا النموذج الحيواني يحفز تغييرات الميكروالهيكلية مماثلة والعاهات المعرفية كما رأينا في المرضى الذين يعانون من صدمة خفيفة. ولذلك، هذا النموذج انخفاض الوزن Marmarou هو المناسب للتحقيق في الصور الحيوية للانتشار mTBI14،15.
يوضح هذا التقرير تطبيق التصوير بالرنين المغناطيسي الانتشار المتقدم في نموذج الفئران mTBI باستخدام نموذج انخفاض الوزن Marmarou. يظهر لأول مرة هو كيفية الحث على صدمة خفيفة ومنتشرة، ويتم بعد ذلك توفير التحليل باستخدام نموذج التصوير بكثافة الانتشار (DTI). يتم الحصول على معلومات بيولوجية محددة باستخدام نماذج نشر أكثر تقدما [أي نشر كورتوسيس التصوير (DKI) ونموذج سلامة المسالك المادة البيضاء (WMTI]. على وجه التحديد، يتم إلحاق صدمة خفيفة ثم يتم تقييم التغييرات الهيكلية الدقيقة في الحصين باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي T2 المرجحة التقليدية وبروتوكول التصوير نشر متقدمة.
Protocol
Representative Results
Discussion
منذ mTBI في كثير من الأحيان هو نتيجة لإصابة منتشرة وخفية التي لا تظهر أي تشوهات على التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي التقليدية، وتقييم الأضرار الانشفية الدقيقة بعد صدمة خفيفة لا يزال تحديا. لذلك، هناك حاجة إلى تقنيات التصوير أكثر تقدما لتصور المدى الكامل للصدمة. وقد اكت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا مؤسسة البحوث – فلاندرز (FWO) على دعمها لهذا العمل (رقم المنحة: 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 |
References
- 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)
