Integreret fotoakustisk, ultralyd og angiografisk tomografi (PAUSAT) til ikke-invasiv helhjernebilleddannelse af iskæmisk slagtilfælde

Blod transporterer ilt (via hæmoglobinproteinet) og andre vigtige næringsstoffer til væv i vores kroppe. Når blodstrømmen gennem væv afbrydes (iskæmi), kan der opstå alvorlig skade på vævene, hvis mest umiddelbare virkninger skyldes mangel på ilt (hypoxi). Iskæmisk slagtilfælde er resultatet af afbrudt blodgennemstrømning til en bestemt region af hjernen. Hjerneskaden som følge af et iskæmisk slagtilfælde kan forekomme inden for få minutter efter en karblokering og kan ofte have invaliderende og varige virkninger ^1,2. En meget værdifuld strategi til at evaluere fysiopatologien efter iskæmisk slagtilfælde og identificere og teste nye behandlinger er brugen af smådyrsmodeller i laboratoriet. Behandlinger opdaget i laboratoriet sigter mod at blive oversat til klinisk brug og forbedre patienternes liv. Imidlertid skal brugen af dyr i biomedicinsk forskning evalueres nøje i henhold til Russell og Burchs 3R-principper: udskiftning, reduktion og forfining³. Formålet med reduktionskomponenten er at reducere antallet af dyr uden at gå på kompromis med dataindsamlingen. Med dette i tankerne giver det at være i stand til i længderetningen at evaluere læsionsudviklingen via ikke-invasiv billeddannelse en stor fordel ved at reducere antallet af krævede dyr samt maksimere informationen opnået fra hvert dyr⁴.

Fotoakustisk tomografi (PAT) er en hybrid billeddannelsesmodalitet, der kombinerer optisk absorptionskontrast med ultralydsbilleddannelse^{rumlig opløsning 5}. Billeddannelsesmekanismen for PAT er som følger. En excitationslaserpuls lyser på målet, der afbildes. Forudsat at målet absorberer lys ved excitationslaserens bølgelængde, vil det stige i temperatur. Denne hurtige temperaturstigning resulterer i en termoelastisk udvidelse af målet. Udvidelsen får en ultralydbølge til at sprede sig ud fra målet. Ved at detektere ultralydbølgen på mange positioner kan den tid, der kræves for bølgen at forplante sig fra målet til detektorerne, bruges til at skabe et billede gennem en rekonstruktionsalgoritme. PAT’s evne til at detektere optisk absorption i dybe vævsområder adskiller PAT fra ultralydsbilleddannelse, som registrerer grænser for forskellige akustiske impedanser af væv⁵. I de synlige og nær-infrarøde spektre er de primære stærkt absorberende biomolekyler, der er rigelige i organismer, hæmoglobin, lipider, melanin og vand⁷. Af særlig interesse i undersøgelsen af slagtilfælde er hæmoglobin. Da oxyhemoglobin og deoxyhemoglobin har forskellige optiske absorptionsspektre, kan PAT anvendes med flere excitationslaserbølgelængder for at bestemme den relative koncentration af proteinets to tilstande. Dette gør det muligt at kvantificere iltmætningen af hæmoglobin (_sO2) eller iltning i blodet i og uden for infarktområdet ^8,9. Dette er en vigtig foranstaltning i iskæmisk slagtilfælde, da det kan indikere niveauet af ilt i det beskadigede hjernevæv efter iskæmi.

Akustisk angiografi (AA) er en kontrastforstærket ultralydsbilleddannelsesmetode, der er særlig nyttig til billeddannelse af vaskulaturens morfologi in vivo¹⁰. Metoden er afhængig af brugen af en wobblertransducer med dobbelt element (et lavfrekvent element og et højfrekvent element) i forbindelse med mikrobobler injiceret i billeddannelsesemnets kredsløbssystem. Transducerens lavfrekvente element bruges til transmission ved mikroboblernes resonansfrekvens (f.eks. 2 MHz), mens højfrekvenselementet bruges til at modtage mikroboblernes superharmoniske signaler (f.eks. 26 MHz). Når de exciteres ved en resonansfrekvens, har mikroboblerne et stærkt ikke-lineært respons, hvilket resulterer i produktion af superharmoniske signaler, der omgivende kropsvæv ikke producerer¹¹. Ved at modtage med et højfrekvent element sikrer dette, at kun mikroboblesignalerne detekteres. Da mikroboblerne er begrænset til blodkarrene, er resultatet et angiografisk billede af blodkarmorfologi. AA er en kraftfuld metode til billeddannelse af iskæmisk slagtilfælde, da mikroboblerne, der strømmer gennem kredsløbssystemet, ikke er i stand til at strømme gennem blokerede kar. Dette gør det muligt for AA at detektere områder i hjernen, der ikke er perfuserede på grund af iskæmisk slagtilfælde, hvilket indikerer infarktområdet.

Præklinisk iskæmisk slagtilfælde forskning generelt er afhængig af brugen af histologi og adfærdsmæssige test for at vurdere placeringen og sværhedsgraden af slagtilfælde. Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) farvning er en almindelig histologisk analyse, der anvendes til at bestemme slaginfarktvolumenet. Det kan dog kun bruges ved et endepunkt, da det kræver, at dyret aflives¹². Adfærdstest kan bruges til at bestemme nedsat motorfunktion på flere tidspunkter, men de kan ikke give kvantitative anatomiske eller fysiologiske værdier¹³. Biomedicinsk billeddannelse giver en mere kvantitativ tilgang til at studere virkningerne af iskæmisk slagtilfælde ikke-invasivt og langsgående 9,14,15. Imidlertid kan eksisterende billeddannelsesteknologier (såsom magnetisk resonansbilleddannelse [MRI]) til små dyr komme til en høj pris, være ude af stand til at levere samtidig strukturel og funktionel information eller have begrænset penetrationsdybde (som de fleste optiske billeddannelsesteknikker).

Her kombinerer vi fotoakustisk, ultralyd og angiografisk tomografi (PAUSAT; se systemdiagram i figur 1), som giver mulighed for komplementær strukturel og funktionel information om blodperfusion og iltning efter iskæmisk slagtilfælde¹⁶. Dette er to vigtige aspekter ved vurderingen af skadens alvor og overvågningen af helbredelsen eller responsen på behandlingerne. Brug af disse integrerede billeddannelsesmetoder kan øge mængden af information opnået af hvert dyr, reducere antallet af dyr, der kræves, og give mere information i undersøgelsen af potentielle behandlinger for iskæmisk slagtilfælde.

Figur 1: PAUSAT diagram . (A) Komplet skematisk oversigt over PAUSAT systemet, herunder laser og OPO, der anvendes til PAT. (B) Indvendig visning af PAUSAT systemet, herunder to ultralydstransducere. Dual-element wobblertransduceren bruges til både B-mode ultralyd og AA, og lineær array-transduceren bruges til PAT. Begge transducere er monteret på det samme 2D-motoriserede trin, hvilket gør det muligt at scanne for at generere volumetriske data. Dette tal er ændret fra¹⁶. Klik her for at se en større version af denne figur.