استعمال الدوائي، التحدي الرنين المغناطيسي الوظيفي في مرحلة ما قبل السريرية للبحوث: بالتطبيق على النظام 5-HT
Summary
الهدف من هذه التقنية هو لتقييم وظيفة السيروتونين الناقل العصبي (5-HT) في الحيوانات الحية والحرة في التنفس، مع الدوائية التصوير بالرنين المغناطيسي (phMRI) وتحديا في الوريد مع مثبطات امتصاص السيروتونين الانتقائية (SSRI)، فلوكستين.
Abstract
الدوائية التصوير بالرنين المغناطيسي (phMRI) هو وسيلة جديدة واعدة لدراسة آثار المواد على وظائف المخ التي يمكن أن تستخدم في النهاية لكشف الآليات العصبية الحيوية الكامنة وراء عمل المخدرات والاضطرابات العصبية ذات الصلة، مثل الاكتئاب وADHD. مثل معظم أساليب التصوير (PET، SPECT، CT) فإنه يمثل تقدما في التحقيق في اضطرابات الدماغ وظيفة ذات الصلة من الممرات العصبية بطريقة غير الغازية مع الاحترام للاتصال والعصبية عموما. وعلاوة على ذلك فإنه يوفر أيضا أداة مثالية للترجمة إلى التحقيقات السريرية. التصوير بالرنين المغناطيسي، في حين لا يزال وراء استراتيجيات في التصوير الجزيئي مقارنة PET و SPECT، لديه ميزة كبيرة لديهم ارتفاع القرار المكانية وهناك حاجة للحقن من وكيل أو على النقيض من جزيئات الراديو المسمى، وبالتالي تجنب التعرض المتكرر إلى الإشعاعات المؤينة . ويستخدم على نطاق واسع وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) في إعداد البحوث والسريرية، حيث أنه من زجنبا إلى جنب مع enerally مهمة النفسية والحركية. phMRI هو التكيف من الرنين المغناطيسي الوظيفي تمكن من تحقيق وجود نظام عصبي معين، مثل السيروتونين (5-HT)، في ظل ظروف فيزيولوجية أو مرضية بعد تفعيل عن طريق إدارة المخدرات تحديا محددة.
والهدف من هذا الأسلوب هو موضح هنا هو تقييم المخ 5-HT وظيفة في التنفس الحرة الحيوانات. من خلال تحدي النظام 5-HT في حين الحصول على وظيفية صور الرنين المغناطيسي في وقت واحد على مر الزمن، لا يمكن للاستجابة من الدماغ لهذا التحدي يمكن تصور. وقد أثبتت العديد من الدراسات على الحيوانات بالفعل أن المخدرات التي يسببها ارتفاع في مستويات من خارج الخلية على سبيل المثال 5-HT (وكلاء الإفراج، الانتقائية إعادة امتصاص حاصرات، الخ) تستثير منطقة معينة التغيرات في مستوى الأوكسجين في الدم اشارات التصوير بالرنين المغناطيسي التي تعتمد (غامق) (إشارة بسبب إلى تغيير في مستويات خضاب الدم المؤكسج / امؤكسج التي تحدث أثناء تنشيط المخ من خلال زيادة تدفق الدم لإمداد الأوكسجين وزlucose إلى الخلايا العصبية مطالبين) وتوفير فهرس وظيفة النواقل العصبية. وقد تبين أيضا أن يمكن عكس هذه الآثار من خلال العلاجات التي الانخفاض 5-HT توفر 16،13،18،7. في الفئران البالغين، وقد وصفت التغييرات إشارة BOLD بعد الحاد SSRI الادارة في عدة 5-HT مناطق الدماغ ذات الصلة، والمناطق القشرية أي الحصين، تحت المهاد والمهاد 9،16،15. ويمكن تنشيط النظام 5-HT وردها على هذا التحدي وبالتالي تستخدم كمقياس لوظيفته في كل من الحيوانات والبشر 2،11.
Protocol
Discussion
5-HT phMRI هو أداة واعدة لتقييم وظيفة النواقل العصبية في الحيوانات في الجسم الحي. انه يتصور استجابة المخ لتحد 5-HT مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. التصوير بالرنين المغناطيسي لديه ميزة كبيرة لديهم ارتفاع القرار المكانية، وليس بحاجة إلى حقن من وكيل أو على النقيض من جزيئات الراديو المسمى وبالتالي تجنب التعرض المتكرر إلى الإشعاعات المؤينة. هذه التقنية قابلة للتطبيق في المواد البشرية والحيوانية على حد سواء، وبالتالي مناسبة جدا للبحث متعدية نظم العصبي والاضطرابات النفسية. تطبيقه هو بطبيعة الحال لا تقتصر على المسار 5-HT وسبق أن استخدمت على نطاق واسع لتقييم آثار المخدرات الدوبامين في كل من الحيوانات والبشر 5،15 22.
ومع ذلك، phMRI في الحيوانات الصغيرة لا تزال صعبة، كما أشرنا في مقالات المراجعة بواسطة مارتن و 11 Sibson وستيوارد 20. واحدة من هذه التحديات هو س صيانةو المعلمات الفسيولوجية مستقرة خلال الحصول على الصور. يمكن لمعظم مواد التخدير تغيير وظيفة القلب والأوعية الدموية، وبالنظر إلى أن phMRI يعتمد بشكل حاسم على المعلمات القلب والأوعية الدموية / الدورة الدموية لا بد من التأكد من أن أي تغييرات الدورة الدموية يمكن أن تعزى فقط إلى مستوى التحدي دواء معين. ولذا فمن المهم للغاية أن PCO 2 مستويات تظل ثابتة خلال اقتناء خط الأساس. يمكن التهوية الميكانيكية للمساعدة على ضمان استقرار الفسيولوجية، وغالبا ما تستخدم في هذا النوع من التجارب. اخترنا لكن لاستخدام الحرة في التنفس الحيوانات لترك الباب مفتوحا أمام إمكانية إجراء دراسات طولية في المستقبل. بدلا من ذلك، نحن مراقبة على نطاق واسع (وتتغير) معدل التنفس وقيم غاز الدم لضمان الاستقرار الفسيولوجية داخل نطاقات العادية قبل بدء الفحص وظيفية وبهذه الطريقة للحفاظ على تفاعل الأوعية الدموية، وبالتالي مستقر T2 * / إشارة T2. الأدب حول آثار التخدير العام في ديناميكا الدم الدماغي وmetabolisم وفيرة 20 و خارج نطاق هذه المخطوطة. اخترنا لاستخدام التخدير الغاز مع ± 2٪ isoflurane في هذا بروتوكول معين، لأنه مع التخدير استنشاق، وعمق التخدير يمكن أن يكون سريعا والسيطرة عليها بسهولة. وهذا هو المهم في الإعداد لدينا لضمان نطاق مستقر طبيعي PCO 2 مستويات قبل بداية الحصول على الصور. Isoflurane هو الأكثر شيوعا مخدر المستنشق اليوم، ويتيح استقراء سريع والانتعاش، وهو أمر مهم لدراسات طولية. كما أنها تنتج الحد الأدنى من الاكتئاب القلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي ويؤدي الى استرخاء جيدة من عضلات الهيكل العظمي.
ثانيا، في الوريد إدارة المخدرات تحديا أكثر تعقيدا في الحيوانات الصغيرة من بين البشر. عملية جراحية أن هناك حاجة لإقناء؛ إدخال القنية من شريان الفخذ والوريد يتطلب وجود موظفين مدربين تدريبا جيدا وذوي الخبرة. وبسبب هذه الإجراءات الغازية هو في الوقت الراهن تستخدم أساسا في الإجراءات النهائية. ومع ذلك، يمكن أن تستخدم غير الغازية رصد توازن الدم وذيل حقن الوريد للدراسات طولية 23.
وبالإضافة إلى ذلك، هناك بعض القيود الأكثر عمومية للتقنية، والتي ليست محددة لphMRI الحيوانية. بالإضافة إلى ذلك، كما أشار إلى ذلك مارتن وSibson 11، والخلط بين إمكانات جميع دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي هو أنه يفترض أن التغيرات في نشاط الدماغ التي حركها التحدي تعكس التغيرات في نشاط الخلايا العصبية بدلا من التأثيرات الشاملة الطرفية. لا سيما في البنى العميقة في الدماغ، فهم فقراء نسبيا من اقتران الوعائية العصبية (العلاقة بين التغيرات نشاط الخلايا العصبية والتغيرات الدورة الدموية) لا يزال قائما. دراسات من هذا النوع يقوم بها Logothetis 10 لتحديد اقتران الوعائية العصبية في القشرة حتى الآن لم يتم تنفيذها في أجزاء أخرى من الدماغ. ومن غير المعروف ما لذلك زيادة في إشارة جريئة في هياكل هامة مثل هذا المخطط أو اللوزة هو تيلينز لنا عن نشاط الخلايا العصبية. أفضل ما يمكن أن نقول في هذه اللحظة هو أن منطقة الدماغ يتفاعل مع التحدي معين، وذلك اعتمادا على معالجة و / أو الظروف، ونحن يمكن رصد التغيرات الهامة للتفاعل الدماغ. ويمكن الى حد كبير هذا يمكن التحقق منها من خلال النظر في البيانات على حد سواء التصوير بالرنين المغناطيسي والاستجابات الفسيولوجية. وينبغي أن النمط العام لتنشيط الدماغ تكون منطقة محددة ومقتصرة على المناطق التي توجد فيها، في هذه الحالة، على نسبة عالية تعصيب 5-HT، وليس بقدر ما هو استجابة الأوعية الدموية العامة. أيضا، ومن المتوقع تشكيل جانبي مختلف الزمني بين التغيرات الأوعية الدموية والدورة الدموية. في حين أن التغيرات في ضغط الدم بالعودة إلى القيم الأساسية في غضون عدة دقائق، وتأثير هذا الدواء على تنشيط الجريئة في حالة فلوكستين مرئية حتى نهاية الحصول على الصور وتتوافق مع الخصائص الدوائية تعرف من هذا الدواء. أخيرا، ينبغي أن الاستجابات الفسيولوجية من جميع الحيوانات تكون مشابهة من أجل جعل ما بين موضوع المقارنة. Nonetheleس، وأنه من المعروف أن لائحة العصبية من تدفق الدم المحلية HT-5 وجود 4. ولذلك لا يمكن استبعاد أن التغيرات المحلية للإشارة الجريء قد تنسب إلى تغيرات الأوعية الدموية من المقرر أن يصدر من HT-5 في القرب من السفن. على الرغم من أن لا ترتبط هذه الآثار إلى تنشيط الخلايا العصبية المحلية، وبالتالي يمكن اعتبار نتائج ايجابية كاذبة، بل هي أيضا مؤشر من وظيفة محددة الشامل للنظام 5-HT (انظر أيضا 3).
الخطوات الحاسمة لهذه التقنية وهي بالتالي لرصد الاستجابات الفسيولوجية وعلى نطاق واسع للتأكد من أن الشروط الفسيولوجية للحيوان في حالة مستقرة قبل وأثناء الحصول على الصور. أيضا يجب أن الظروف الماسح الضوئي أن تكون مستقرة قدر الإمكان، وبالضبط نفس الشيء بالنسبة لكل حيوان. وينبغي التحقق من استقرار إشارة من تسلسل الخاص، وأكد قبل بدء تجربتك. وعلاوة على ذلك، تأكد من أن يكون دائما ما يكفي من القوة الإحصائية كبير، حتى مع جروب موضوع صغيرPS. لاستعراض لطيف على الاعتبارات التجريبية من phMRI الحيوانية بشكل عام، انظر ستيوارد 20 و للحصول على مثال إضافي لبروتوكول تجريبي للالرنين المغناطيسي الوظيفي الدوائية في الجرذان والفئران، انظر فيراري 5.
التعديلات الممكنة للتقنية وصفها هنا هي عديدة. يمكن واحد:
- استخدام دواء مختلفة لمدة 5-HT التحدي، ومثل آخر أو اس اس اراي مستقبلات 5-HT (النمل) ناهضات 16،13،18،7 أو حتى تحديا مزدوجا من أجل الكشف عن الآليات الأساسية لعمل الدواء 6،19؛
- استخدام إعداد مختلف التجارب، مثل نظام التخدير المختلفة، والتهوية الميكانيكية، وعوامل التباين حمام الدم بدلا من BOLD 15، الدراسات الطولية (حيوان يحتاج إلى أن يوضع على قيد الحياة، لذلك لا الغازية قياس ضغط الدم غاز / الدم و / أو التهوية الميكانيكية هي ممكنة)، أو مزيج حتى مع أساليب (الغازية) الأخرى مثل تسجيل نشاط الخلايا العصبية باستخدام MR-متوافق مع ايلىctrodes 10 أو PET / SPECT دراسات (4)؛
- استخدام مختلف أساليب التصوير بالرنين المغناطيسي وتحليل البيانات مثل طريقة 'ع كتلة "ماكي من 12 أو وظيفي تحليل الربط 15.
التي الخيارات التي تقوم بها في الإعداد التجريبية تعتمد بشكل كبير على إمكانيات و / أو خبرة في المختبر الخاص بك ونوع السؤال البحثي كنت ترغب في الإجابة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويتم تمويل هذا العمل من قبل المنظمة الهولندية للبحوث العلمية (NWO) (شفني لا. 916.86.125)، التي منحت لReneman L.. وكان الممول لم يكن له دور في تصميم الدراسة وجمع البيانات وتحليلها، قرار نشر، أو في الإعداد للمخطوطة. ليس هناك تضارب في المصالح.
Materials
| Name of the reagent/equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Isoflurane | ABBOTT Abbott Laboratories Ltd.,Maidenhead, UK |
No B506 | Mix with medical air |
| Medical air | BOC Healthcare | ||
| Heating pad | Harvard apparatus | 507223F Complete Homeothermic Blanket System with Flexible Probe, Medium, 230 VAC, 50 Hz |
|
| Silk ligature | http://www.harvardapparatus.com/ | 2-0 black braided silk non-absorbable Cat Num 51-7631 |
|
| PE-50 Cannula | http://www.scientificlabs.co.uk/ | Portex Tubing PE 0.58×0.96mm | 0.58 ID 0.96 OD mm |
| Heparin sodium | Leo laboratories Ltd, Bucks., UK | Heparin sodium 1000IU/ml | 15 U/ml |
| Vetbond Tissue Adhesive | 3M | M Vetbond Tissue Adhesive | |
| Monitoring system | SA Instruments | http://www.i4sa.com Model 1025L monitoring system |
Monitors respiration and temperature |
| Pressure transducer | Biopac Systems Corp | BLOOD PRESSURE TRANSDUCER – TSD104A MP150 DATA ACQUISITION SYSTEM – WIN – MP150WSW |
Monitors blood pressure |
| RapidLab blood gas analyzer | Siemens Diagnostics | RAPIDLab 248/348 Systems | |
| 4.7T animal scanner | Agilent Technologies (previously Magnex) 4.7T frequency 199.845 MHz |
||
| MR compatible stereotactic bed | m2m Imaging Corp | Rat bed: PA Multi element AHS 50-72-1003/100 | |
| Coil | m2m Imaging Corp | Volume TH/Rx RQD1 72/112 200 |
|
| Fluoxetine Hydrochloride | Sigma-Aldrich | F-132 | 5mg/kg in saline |
References
- Abramoff, M. D., Magelhaes, P. J., Ram, S. J. Image Processing with ImageJ. Biophotonics International. 11, 36-42 (2004).
- Anderson, I. M., McKie, S., Elliott, R., Williams, S. R., Deakin, J. F. Assessing human 5-HT function in vivo with pharmacoMRI. Neuropharmacology. 55, 1029-1037 (2008).
- Choi, J. K., Chen, Y. I., Hamel, E., Jenkins, B. G. Brain hemodynamic changes mediated by dopamine receptors: Role of the cerebral microvasculature in dopamine-mediated neurovascular coupling. Neuroimage. 30, 700-712 (2006).
- Cohen, Z., Bonvento, G., Lacombe, P., Hamel, E. Serotonin in the regulation of brain microcirculation. Prog. Neurobiol. 50, 335-362 (1996).
- Ferrari, L. A robust experimental protocol for pharmacological fMRI in rats and mice. J. Neurosci. Methods. 204, 9-18 (2011).
- Gozzi, A. Differential effects of antipsychotic and glutamatergic agents on the phMRI response to phencyclidine. Neuropsychopharmacology. 33, 1690-1703 (2008).
- Houston, G. C. Mapping of brain activation in response to pharmacological agents using fMRI in the rat. Magn Reson. Imaging. 19, 905-919 (2001).
- Jenkins, B. G., Sanchez-Pernaute, R., Brownell, A. L., Chen, Y. C., Isacson, O. Mapping dopamine function in primates using pharmacologic magnetic resonance imaging. J. Neurosci. 24, 9553-9560 (2004).
- Klomp, A. Lasting effects of chronic fluoxetine treatment on the late developing rat brain: age-dependent changes in the serotonergic neurotransmitter system assessed by pharmacological MRI. Neuroimage. 59, 218-226 (2012).
- Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, 150-157 (2001).
- Martin, C., Sibson, N. R. Pharmacological MRI in animal models: A useful tool for 5-HT research. Neuropharmacology. 55, 1038-1047 (2008).
- McKie, S. Neuronal effects of acute citalopram detected by pharmacoMRI. Psychopharmacology (Berl. 180, 680-686 (2005).
- Preece, M. A. Evidence that increased 5-HT release evokes region-specific effects on blood-oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging responses in the rat brain. Neuroscience. 159, 751-759 (2009).
- Schwarz, A. J. A stereotaxic MRI template set for the rat brain with tissue class distribution maps and co-registered anatomical atlas: application to pharmacological MRI. Neuroimage. 32, 538-550 (2006).
- Schwarz, A. J., Gozzi, A., Reese, T., Bifone, A. In vivo mapping of functional connectivity in neurotransmitter systems using pharmacological MRI. NeuroImage. 34, 1627-1636 (2007).
- Sekar, S. Neuroadaptive responses to citalopram in rats using pharmacological magnetic resonance imaging. Psychopharmacology (Berl). 213, 521-531 (2011).
- Smith, S. M. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, S208-S219 (2004).
- Stark, J. A., McKie, S., Davies, K. E., Williams, S. R., Luckman, S. M. 5-HT(2C) antagonism blocks blood oxygen level-dependent pharmacological-challenge magnetic resonance imaging signal in rat brain areas related to feeding. Eur. J. Neurosci. 27, 457-465 (2008).
- Stark, J. A., Davies, K. E., Williams, S. R., Luckman, S. M. Functional magnetic resonance imaging and c-Fos mapping in rats following an anorectic dose of m-chlorophenylpiperazine. NeuroImage. 31, 1228-1237 (2006).
- Steward, C. A., Marsden, C. A., Prior, M. J., Morris, P. G., Shah, Y. B. Methodological considerations in rat brain BOLD contrast pharmacological MRI. Psychopharmacology (Berl). 180, 687-704 (2005).
- Strupp, J. P. Stimulate: A GUI based fMRI Analysis Software Package. NeuroImage. 3, S607 (1996).
- Tomasi, D. Methylphenidate enhances brain activation and deactivation responses to visual attention and working memory tasks in healthy controls. Neuroimage. 54, 3101-3110 (2011).
- Woolrich, M. W. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. NeuroImage. 45, S173-S186 (2009).
- Worsley, K. J., Jezzard, P., Matthews, P. M., Smith, S. M. Statistical analysis of activation images. Functional MRI: An Introduction to Methods. , (2001).
