Integrert fotoakustisk, ultralyd og angiografisk tomografi (PAUSAT) for ikke-invasiv avbildning av hele hjernen av iskemisk hjerneslag

Blod transporterer oksygen (via hemoglobinproteinet) og andre viktige næringsstoffer til vev i kroppen vår. Når blodstrømmen gjennom vev avbrytes (iskemi), kan det oppstå alvorlig skade på vevet, hvis mest umiddelbare effekter skyldes mangel på oksygen (hypoksi). Iskemisk slag er resultatet av avbrutt blodstrøm til en bestemt region i hjernen. Hjerneskaden som følge av et iskemisk slag kan oppstå i løpet av minutter etter blokkering av fartøyet, og kan ofte ha svekkende og varige effekter ^1,2. En svært verdifull strategi for å evaluere fysiopatologien etter iskemisk hjerneslag og identifisere og teste nye behandlinger er bruken av smådyrmodeller i laboratoriet. Behandlinger oppdaget i laboratoriet tar sikte på å bli oversatt til klinisk bruk og forbedre pasientens liv. Imidlertid må bruken av dyr i biomedisinsk forskning vurderes nøye i henhold til Russell og Burchs 3Rs-prinsipper: erstatning, reduksjon og forfining³. Målet med reduksjonskomponenten er å redusere antall dyr uten at det går på bekostning av datainnsamlingen. Med dette i bakhodet gir det å kunne evaluere lesjonsutviklingen i lengderetningen via ikke-invasiv avbildning en stor fordel når det gjelder å redusere antall dyr som kreves, samt maksimere informasjonen fra hvert dyr⁴.

Fotoakustisk tomografi (PAT) er en hybrid bildebehandlingsmodalitet som kombinerer optisk absorpsjonskontrast med ultralydavbildning romlig oppløsning⁵. Bildemekanismen til PAT er som følger. En eksitasjonslaserpuls lyser på målet som avbildes. Forutsatt at målet absorberer lys ved bølgelengden til eksitasjonslaseren, vil den øke i temperatur. Denne raske temperaturøkningen resulterer i en termoelastisk utvidelse av målet. Utvidelsen fører til at en ultralydbølge forplanter seg ut fra målet. Ved å oppdage ultralydbølgen i mange posisjoner, kan tiden det tar for bølgen å forplante seg fra målet til detektorene brukes til å lage et bilde gjennom en rekonstruksjonsalgoritme. Evnen til PAT til å oppdage optisk absorpsjon i dype vevsregioner skiller PAT fra ultralydavbildning, som oppdager grenser for forskjellige akustiske impedanser av vev⁵. I de synlige og nær-infrarøde spektrene er de primære høyt absorberende biomolekylene som er rikelig i organismer hemoglobin, lipider, melanin og vann⁷. Av spesiell interesse for studiet av hjerneslag er hemoglobin. Siden oksyhemoglobin og deoksyhemoglobin har forskjellige optiske absorpsjonsspektra, kan PAT brukes med flere eksitasjonslaserbølgelengder for å bestemme den relative konsentrasjonen av de to tilstandene i proteinet. Dette gjør at oksygenmetningen av hemoglobin (sO₂), eller oksygenering av blod, kan kvantifiseres i og utenfor infarktområdet ^8,9. Dette er et viktig tiltak i iskemisk slag, da det kan indikere nivået av oksygen i det skadede hjernevævet etter iskemi.

Akustisk angiografi (AA) er en kontrastforsterket ultralydavbildningsmetode som er spesielt nyttig for avbildning av morfologien til vaskulatur in vivo¹⁰. Metoden er avhengig av bruk av en dobblersvinger (et lavfrekvent element og et høyfrekvent element) i forbindelse med mikrobobler injisert i sirkulasjonssystemet til bildesubjektet. Det lavfrekvente elementet i transduseren brukes til overføring ved resonansfrekvensen til mikroboblene (f.eks. 2 MHz), mens høyfrekvente element brukes til å motta superharmoniske signaler fra mikroboblene (f.eks. 26 MHz). Når de eksiteres ved en resonansfrekvens, har mikroboblene en sterk ikke-lineær respons, noe som resulterer i produksjon av superharmoniske signaler om at omgivende kroppsvev ikke produserer¹¹. Ved å motta med et høyfrekvent element, sikrer dette at bare mikroboblesignalene oppdages. Siden mikroboblene er begrenset til blodkarene, er resultatet et angiografisk bilde av blodkarmorfologi. AA er en kraftig metode for avbildning av iskemisk slag, da mikroboblene som strømmer gjennom sirkulasjonssystemet, ikke kan strømme gjennom blokkerte kar. Dette gjør det mulig for AA å oppdage regioner i hjernen som ikke er perfusert på grunn av iskemisk slag, noe som indikerer infarktområdet.

Preklinisk iskemisk hjerneslagforskning er generelt avhengig av bruk av histologi og atferdstesting for å vurdere plasseringen og alvorlighetsgraden av hjerneslaget. Trifenyltetrazoliumklorid (TTC) farging er en vanlig histologisk analyse som brukes til å bestemme slaginfarktvolumet. Det kan imidlertid bare brukes på et endepunkt, siden det krever at dyret avlives¹². Atferdstester kan brukes til å bestemme motorisk funksjonsnedsettelse på flere tidspunkter, men de kan ikke gi kvantitative anatomiske eller fysiologiske verdier¹³. Biomedisinsk bildebehandling gir en mer kvantitativ tilnærming til å studere effekten av iskemisk hjerneslag ikke-invasivt og langsgående 9,14,15. Imidlertid kan eksisterende bildebehandlingsteknologier (for eksempel smådyrmagnetisk resonansavbildning [MRI]) komme til en høy pris, ikke kunne gi samtidig strukturell og funksjonell informasjon, eller ha begrenset penetrasjonsdybde (som de fleste optiske bildebehandlingsteknikker).

Her kombinerer vi fotoakustisk, ultralyd og angiografisk tomografi (PAUSAT; se systemdiagram i figur 1), som muliggjør komplementær strukturell og funksjonell informasjon om blodperfusjon og oksygenering etter iskemisk hjerneslag¹⁶. Dette er to viktige aspekter ved å vurdere alvorlighetsgraden av skade og overvåke gjenoppretting eller respons på behandlinger. Ved hjelp av disse integrerte bildebehandlingsmetodene kan øke mengden informasjon som er oppnådd av hvert dyr, redusere antall dyr som kreves og gi mer informasjon i studiet av potensielle behandlinger for iskemisk slag.

Figur 1: PAUSAT-diagram. (A) Komplett skjematisk fremstilling av PAUSAT-systemet, inkludert laseren og OPO som brukes til PAT. (B) Sett fra innsiden av PAUSAT-systemet, inkludert to ultralydtransdusere. Dual-element wobblertransduseren brukes til både B-modus ultralyd og AA, og lineær-array-transduseren brukes til PAT. Begge transduserne er montert på samme 2D-motoriserte trinn, noe som gjør det mulig for skanning å generere volumetriske data. Dette tallet er endret fra¹⁶. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.