Интегрированная фотоакустическая, ультразвуковая и ангиографическая томография (PAUSAT) для неинвазивной визуализации всего мозга при ишемическом инсульте

Кровь транспортирует кислород (через белок гемоглобин) и другие важные питательные вещества к тканям нашего организма. Когда поток крови через ткани прерывается (ишемия), может произойти серьезное повреждение тканей, самые непосредственные последствия которого обусловлены недостатком кислорода (гипоксия). Ишемический инсульт является результатом прерванного притока крови к определенной области мозга. Повреждение головного мозга в результате ишемического инсульта может произойти в течение нескольких минут после закупорки сосуда и часто может иметь изнурительные и длительные последствия ^1,2. Очень ценной стратегией оценки физиопатологии после ишемического инсульта, а также выявления и тестирования новых методов лечения является использование моделей мелких животных в лаборатории. Методы лечения, обнаруженные в лаборатории, направлены на то, чтобы быть переведенными на клиническое использование и улучшить жизнь пациентов. Тем не менее, использование животных в биомедицинских исследованиях должно быть тщательно оценено в соответствии с принципами 3R Рассела и Берча: замена, сокращение и уточнение³. Цель компонента сокращения состоит в том, чтобы сократить количество животных без ущерба для сбора данных. Имея это в виду, возможность продольной оценки эволюции поражения с помощью неинвазивной визуализации дает большое преимущество в сокращении количества необходимых животных, а также в максимальном увеличении информации, полученной от каждого животного⁴.

Фотоакустическая томография (ПАТ) представляет собой гибридный метод визуализации, который сочетает в себе контраст оптического поглощения с пространственным разрешением^{ультразвуковой} визуализации 5. Механизм визуализации ПАТ заключается в следующем. На изображаемой цели подсвечивается возбуждающий лазерный импульс. Предполагая, что мишень поглощает свет на длине волны возбуждающего лазера, ее температура будет увеличиваться. Это быстрое повышение температуры приводит к термоупругому расширению мишени. Расширение приводит к тому, что ультразвуковая волна распространяется от мишени. Детектируя ультразвуковую волну во многих положениях, время, необходимое для распространения волны от мишени к детекторам, может быть использовано для создания изображения с помощью алгоритма реконструкции. Способность ПАТ обнаруживать оптическое поглощение в глубоких областях тканей отличает ПАТ от ультразвуковой визуализации, которая обнаруживает границы различных акустических импедансов тканей⁵. В видимом и ближнем инфракрасном спектрах основными биомолекулами с высокой степенью поглощения, которые в изобилии присутствуют в организмах, являются гемоглобин, липиды, меланин и вода⁷. Особый интерес при изучении инсульта представляет гемоглобин. Поскольку оксигемоглобин и дезоксигемоглобин имеют разные спектры оптического поглощения, PAT можно использовать с несколькими длинами волн возбуждающего лазера для определения относительной концентрации двух состояний белка. Это позволяет количественно оценить насыщение гемоглобина кислородом (sO₂) или оксигенацию крови в области инфаркта ^8,9 и за ее пределами. Это важный показатель при ишемическом инсульте, так как он может указывать на уровень кислорода в поврежденной ткани мозга после ишемии.

Акустическая ангиография (АА) – это метод ультразвуковой визуализации с контрастным усилением, который особенно полезен для визуализации морфологии сосудистой сети in vivo¹⁰. Метод основан на использовании двухэлементного воблера-преобразователя (низкочастотный элемент и высокочастотный элемент) в сочетании с микропузырьками, вводимыми в кровеносную систему объекта визуализации. Низкочастотный элемент преобразователя используется для передачи на резонансной частоте микропузырьков (например, 2 МГц), в то время как высокочастотный элемент используется для приема супергармонических сигналов микропузырьков (например, 26 МГц). При возбуждении на резонансной частоте микропузырьки имеют сильный нелинейный отклик, что приводит к выработке супергармонических сигналов, которые окружающие ткани организма не производят¹¹. При приеме с помощью высокочастотного элемента это гарантирует, что будут обнаружены только сигналы микропузырьков. Поскольку микропузырьки ограничены кровеносными сосудами, результатом является ангиографическое изображение морфологии кровеносных сосудов. АА является мощным методом визуализации ишемического инсульта, так как микропузырьки, которые протекают через систему кровообращения, не могут течь через заблокированные сосуды. Это позволяет АА выявлять участки мозга, которые не перфузируются из-за ишемического инсульта, что указывает на область инфаркта.

Доклинические исследования ишемического инсульта обычно основаны на использовании гистологии и поведенческого тестирования для оценки локализации и тяжести инсульта. Окрашивание хлоридом трифенилтетразолия (ТТС) является распространенным гистологическим анализом, используемым для определения объема инфаркта инсульта. Однако его можно использовать только в конечной точке, так как он требует эвтаназии^{животного 12}. Поведенческие тесты могут быть использованы для определения нарушения двигательной функции в несколько моментов времени, но они не могут обеспечить количественные анатомические или физиологические значения¹³. Биомедицинская визуализация обеспечивает более количественный подход к изучению эффектов ишемического инсульта неинвазивно и продольно 9,14,15. Однако существующие технологии визуализации (такие как магнитно-резонансная томография мелких животных [МРТ]) могут стоить дорого, быть неспособными предоставить одновременную структурную и функциональную информацию или иметь ограниченную глубину проникновения (как большинство методов оптической визуализации).

Здесь мы комбинируем фотоакустическую, ультразвуковую и ангиографическую томографию (PAUSAT; см. системную схему на рисунке 1), что позволяет получить дополнительную структурную и функциональную информацию о перфузии крови и оксигенации после ишемического инсульта¹⁶. Это два важных аспекта в оценке тяжести травмы и мониторинге выздоровления или реакции на лечение. Использование этих интегрированных методов визуализации может увеличить объем информации, получаемой каждым животным, уменьшая количество необходимых животных и предоставляя больше информации для изучения потенциальных методов лечения ишемического инсульта.

Рисунок 1: Диаграмма PAUSAT. (A) Полная схема системы PAUSAT, включая лазер и OPO, используемые для PAT. (B) Внутренний вид системы PAUSAT, включая два ультразвуковых преобразователя. Двухэлементный преобразователь воблера используется как для ультразвука в B-режиме, так и для АА, а преобразователь с линейной матрицей используется для PAT. Оба преобразователя установлены на одном и том же 2D-моторизованном столике, что позволяет сканировать его для получения объемных данных. Эта цифра была изменена с¹⁶. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.