Geïntegreerde fotoakoestische, echografie en angiografische tomografie (PAUSAT) voor niet-invasieve beeldvorming van de hele hersenen van ischemische beroerte

Bloed transporteert zuurstof (via het hemoglobine-eiwit) en andere belangrijke voedingsstoffen naar weefsels in ons lichaam. Wanneer de bloedstroom door weefsels wordt onderbroken (ischemie), kan ernstige schade aan de weefsels optreden, waarvan de meest directe effecten te wijten zijn aan een gebrek aan zuurstof (hypoxie). Ischemische beroerte is het gevolg van een onderbroken bloedtoevoer naar een bepaald gebied van de hersenen. De hersenschade als gevolg van een ischemische beroerte kan binnen enkele minuten na een vaatblokkade optreden en kan vaak slopende en blijvende effecten hebben ^1,2. Een zeer waardevolle strategie om de fysiopathologie na ischemische beroerte te evalueren en nieuwe behandelingen te identificeren en te testen, is het gebruik van modellen met kleine dieren in het laboratorium. Behandelingen die in het lab worden ontdekt, zijn bedoeld om te worden vertaald naar klinisch gebruik en het leven van patiënten te verbeteren. Het gebruik van dieren in biomedisch onderzoek moet echter zorgvuldig worden geëvalueerd volgens de 3V-principes van Russell en Burch: vervanging, reductie en verfijning³. Het doel van de reductiecomponent is om het aantal dieren te verminderen zonder de gegevensverzameling in gevaar te brengen. Met dit in gedachten biedt het kunnen longitudinaal evalueren van de laesie-evolutie via niet-invasieve beeldvorming een groot voordeel bij het verminderen van het aantal benodigde dieren, evenals het maximaliseren van de informatie die van elk dier wordt verkregen⁴.

Fotoakoestische tomografie (PAT) is een hybride beeldvormingsmodaliteit die optisch absorptiecontrast combineert met ultrasone beeldvorming, ruimtelijke resolutie⁵. Het beeldvormingsmechanisme van PAT is als volgt. Een excitatielaserpuls wordt verlicht op het doel dat wordt afgebeeld. Ervan uitgaande dat het doelwit licht absorbeert op de golflengte van de excitatielaser, zal het in temperatuur toenemen. Deze snelle temperatuurstijging resulteert in een thermo-elastische uitzetting van het doelwit. De uitzetting zorgt ervoor dat een ultrasone golf zich voortplant vanuit het doelwit. Door de ultrasone golf op veel posities te detecteren, kan de tijd die nodig is om de golf van het doel naar de detectoren te verspreiden, worden gebruikt om een beeld te maken via een reconstructiealgoritme. Het vermogen van PAT om optische absorptie in diepe weefselgebieden te detecteren, onderscheidt PAT van echografie, die grenzen van verschillende akoestische impedanties van weefsels detecteert⁵. In de zichtbare en nabij-infrarode spectra zijn de primaire sterk absorberende biomoleculen die overvloedig aanwezig zijn in organismen hemoglobine, lipiden, melanine en water⁷. Van bijzonder belang bij de studie van beroerte is hemoglobine. Omdat oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine verschillende optische absorptiespectra hebben, kan PAT worden gebruikt met meerdere excitatielasergolflengten om de relatieve concentratie van de twee toestanden van het eiwit te bepalen. Hierdoor kan de zuurstofverzadiging van hemoglobine (sO₂), of bloedoxygenatie, worden gekwantificeerd in en buiten het infarctgebied ^8,9. Dit is een belangrijke maat bij ischemische beroerte, omdat het het zuurstofgehalte in het beschadigde hersenweefsel na ischemie kan aangeven.

Akoestische angiografie (AA) is een contrastversterkte ultrasone beeldvormingsmethode die bijzonder nuttig is voor het in beeld brengen van de morfologie van vasculatuur in vivo¹⁰. De methode is gebaseerd op het gebruik van een twee-element wobbler-transducer (een laagfrequent element en een hoogfrequent element) in combinatie met microbubbels die in de bloedsomloop van de beeldvormende persoon worden geïnjecteerd. Het laagfrequente element van de transducer wordt gebruikt voor het uitzenden op de resonantiefrequentie van de microbubbels (bijv. 2 MHz), terwijl het hoogfrequente element wordt gebruikt om de superharmonische signalen van de microbubbels (bijv. 26 MHz) te ontvangen. Wanneer ze worden geëxciteerd met een resonantiefrequentie, hebben de microbubbels een sterke niet-lineaire respons, wat resulteert in de productie van superharmonische signalen die omliggende lichaamsweefsels niet produceren¹¹. Door te ontvangen met een hoogfrequent element zorgt dit ervoor dat alleen de microbubbelsignalen worden gedetecteerd. Omdat de microbubbels beperkt zijn tot de bloedvaten, is het resultaat een angiografisch beeld van de morfologie van bloedvaten. AA is een krachtige methode voor het afbeelden van ischemische beroerte, omdat de microbubbels die door de bloedsomloop stromen niet door geblokkeerde bloedvaten kunnen stromen. Hierdoor kan AA gebieden van de hersenen detecteren die niet doordrenkt zijn als gevolg van ischemische beroerte, wat het infarctgebied aangeeft.

Preklinisch ischemisch beroerteonderzoek is over het algemeen afhankelijk van het gebruik van histologie en gedragstesten om de locatie en ernst van de beroerte te beoordelen. Trifenyltetrazoliumchloride (TTC) kleuring is een veel voorkomende histologische analyse die wordt gebruikt om het slaginfarctvolume te bepalen. Het kan echter alleen op een eindpunt worden gebruikt, omdat het vereist dat het dier wordt geëuthanaseerd¹². Gedragstests kunnen worden gebruikt om motorische functiestoornissen op meerdere tijdstippen te bepalen, maar ze kunnen geen kwantitatieve anatomische of fysiologische waarden opleveren¹³. Biomedische beeldvorming biedt een meer kwantitatieve benadering voor het bestuderen van de effecten van ischemische beroerte niet-invasief en longitudinaal 9,14,15. Bestaande beeldvormingstechnologieën (zoals magnetische resonantiebeeldvorming bij kleine dieren [MRI]) kunnen echter hoge kosten met zich meebrengen, niet in staat zijn om gelijktijdige structurele en functionele informatie te verstrekken of een beperkte penetratiediepte hebben (zoals de meeste optische beeldvormingstechnieken).

Hier combineren we fotoakoestische, ultrasone en angiografische tomografie (PAUSAT; zie systeemdiagram in figuur 1), die aanvullende structurele en functionele informatie van bloedperfusie en oxygenatie na ischemische beroerte mogelijk maakt¹⁶. Dit zijn twee belangrijke aspecten bij het beoordelen van de ernst van het letsel en het monitoren van het herstel of de reactie op behandelingen. Het gebruik van deze geïntegreerde beeldvormingsmethoden kan de hoeveelheid informatie die door elk dier wordt verkregen verhogen, waardoor het aantal benodigde dieren wordt verminderd en meer informatie wordt verstrekt in de studie van mogelijke behandelingen voor ischemische beroerte.

Figuur 1: PAUSAT-diagram . (A) Volledig schema van het PAUSAT-systeem, met inbegrip van de laser en OPO die voor PAT worden gebruikt. (B) Binnenaanzicht van het PAUSAT-systeem, inclusief twee ultrasone transducers. De dual-element wobbler transducer wordt gebruikt voor zowel B-mode echografie als AA, en de lineaire-array transducer wordt gebruikt voor PAT. Beide transducers zijn gemonteerd op dezelfde 2D-gemotoriseerde trap, waardoor scannen volumetrische gegevens kan genereren. Dit cijfer is gewijzigd van¹⁶. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.