השימוש fMRI אתגר תרופתי, מחקר קדם קליניים: בקשה מערכת 5-HT
Summary
מטרת טכניקה זו היא להעריך (5-HT) סרוטונין תפקוד עצבי של בעל החיים חי ונושם חופשי עם הדמיה תרופתי באמצעות תהודה מגנטית (phMRI) ואת האתגר תוך ורידי עם סרוטונין סלקטיביים מעכבי ספיגה חוזרת (SSRI), פלואוקסטין.
Abstract
תרופתי MRI (phMRI) היא שיטה חדשה מבטיחה לחקור את ההשפעות של חומרים על תפקוד המוח, כי בסופו של דבר יכול להשתמש בהם כדי לפענח מנגנונים הנוירוביולוגי הבסיסיים העומדים מאחורי הפעולה סמים הנוירוטרנסמיטר הקשורות הפרעות, כגון דיכאון, הפרעות קשב וריכוז. כמו רוב שיטות ההדמיה (PET, SPECT, CT) הוא מייצג התקדמות בחקירה של הפרעות במוח והפונקציה בנושא של הנוירוטרנסמיטר המסלולים בצורה לא פולשנית ביחס של קישוריות עצבית הכוללת. יתר על כן הוא גם מספק כלי אידיאלי עבור תרגום חקירות קליניים. MRI, תוך מאחור אסטרטגיות הדמיה מולקולרית לעומת PET ו SPECT, יש יתרון גדול יש רזולוציה מרחבית גבוהה צורך בהזרקה של חומר ניגוד או מולקולות רדיו שכותרתו, ובכך למנוע חשיפה חוזרת ונשנית לקרינה מייננת . MRI תפקודי (fMRI) נעשה שימוש נרחב במסגרת מחקר קליני, שם הוא גרבשילוב עם המשימה enerally פסיכו מוטורית. phMRI הוא עיבוד של fMRI המאפשר חקירה של מערכת מוליך עצבי ספציפי, כגון סרוטונין (5-HT), בתנאים פיזיולוגיים או פתולוגיים לאחר ההפעלה באמצעות מתן התרופה אתגר ספציפי.
מטרת השיטה המתוארת כאן היא להעריך 5-HT תפקוד המוח על נשימה חופשית לבעלי חיים. על ידי תיגר על מערכת 5-HT ובמקביל רכישת תפקודית תמונות MR לאורך זמן, התגובה של המוח לאתגר זה ניתן דמיינו. מספר מחקרים בבעלי חיים כבר הוכיחו כי סמים עלייה ברמות של תאיים כגון 5-HT (סוכני שחרור, סלקטיביים חוסמי ספיגה חוזרת, וכו ') לעורר באזור ספציפיים לשינויים ברמת החמצן בדם אותות ה-MRI התלויים (BOLD) (האות בשל שינוי של רמות המוגלובין מחומצן / deoxygenated המתרחשים במהלך הפעלת המוח באמצעות עלייה של אספקת הדם לספק חמצן גרםlucose לתאי העצב בדרישה) מתן מדד תפקוד עצבי. כמו כן הוכח כי אלה תופעות יכול להיות הפוך על ידי טיפולים 5-HT ירידה זמינות 16,13,18,7. אצל חולדות בוגרות, שינויים אותות מודגש הבאים חריפה הממשל SSRI תוארו במספר אזורים 5-HT במוח קשורים, כלומר אזורים בקליפת המוח, בהיפוקמפוס, בהיפותלמוס ו התלמוס 9,16,15. גירוי של מערכת 5-HT ותגובה שלה לאתגר זה יכול לשמש כמדד ובכך תפקידו הן חיות ובני אדם 2,11.
Protocol
Discussion
5-HT phMRI הוא כלי מבטיח להערכת תפקוד עצבי בבעלי חיים in vivo. הוא מדמיין את תגובת המוח לאתגר 5-HT עם MR הדמיה תפקודית. MRI יש יתרון גדול יש רזולוציה מרחבית גבוהה ולא צריך הזרקת חומר ניגוד או מולקולות רדיו שכותרתו וכך למנוע חשיפה חוזרת לקרינה מייננת. טכניקה זו ישימה במקצועות הן בני אדם ובעלי חיים, ולכן מתאים מאוד מחקר translational של מערכות נוירוטרנסמיטרים והפרעות פסיכיאטריות. היישום שלה הוא כמובן לא רק מסלול 5-HT וכבר נעשה שימוש נרחב על מנת להעריך השפעות הסמים דופאמין הן חיות ובני אדם 5,15 22.
עם זאת, phMRI בבעלי חיים קטנים עדיין מאתגרת, כפי שכבר הצביע החוצה מאמרי ביקורת על ידי מרטין Sibson 11 ואב הבית 20. אחד האתגרים הללו היא תחזוקה oפריץ פרמטרים פיזיולוגיים יציב במהלך רכישת התמונה. רוב הרדמה יכול לשנות את תפקוד הלב וכלי הדם וכן בהתחשב בכך phMRI תלויה באופן קריטי על פרמטרים לב וכלי דם / hemodynamic זה חיוני כדי להבטיח כי כל שינוי המודינמים הם לייחס אך ורק לאתגר את התרופה שניתנה. לכן חשוב ביותר כי 2 רמות PCO נשארים קבועים במהלך הרכישה הבסיסי. להנשמה מלאכותית יכול לעזור להבטיח יציבות פיזיולוגית, ומשמש בדרך כלל בסוג כזה של ניסויים. אנחנו לעומת זאת בחרה להשתמש נשימה חופשית חיות לעזוב פתוחה את האפשרות לבצע מחקרים ארוכי טווח בעתיד. במקום זאת, אנו פיקוח נרחב (ושינה) קצב הנשימה גז ערכים דם כדי להבטיח יציבות פיזיולוגית בתוך טווחי רגילות לפני תחילת הסריקה תפקודית ובדרך זו לשמור על תגובתיות כלי דם יציבה ולכן T2 * / T2 האות. הספרות על השפעות בהרדמה כללית על ופרמטרים המודינמיים ו metabolis המוחמ 'הוא שופע 20 ומעבר להיקף של כתב היד הזה. בחרנו להשתמש בהרדמה עם גז% ± 2 isoflurane בפרוטוקול ספציפי זה, כי עם הרדמה משאיפת, את עומק ההרדמה ניתן לשלוט בקלות במהירות. זה חשוב ההגדרה שלנו על מנת להבטיח יציבות לטווח נורמלי PCO 2 רמות לפני תחילת רכישת התמונה. Isoflurane היא נשימתית הרדמה הנפוץ ביותר כיום ומאפשר לזירוז החלמה מהירה, וזה חשוב עבור מחקרים ארוכי טווח. זה גם מייצר דיכאון הלב וכלי הדם ומערכת הנשימה מינימלי גורם להרפיה טובה של שרירי השלד.
שנית, עירוי לוריד של התרופה אתגר מסובך יותר אצל בעלי חיים קטנים יותר מאשר אצל בני אדם. הניתוח הדרוש cannulation של העורק עורק הירך ודורש צוות מיומן ומנוסה. בשל אלה הליכים פולשניים זה כרגע משמש בעיקר בהליכי מסוף. עם זאת, לא פולשנית לניטור של הומאוסטזיס דם בווריד הזרקת הזנב יכול לשמש מחקרים ארוכי טווח 23.
בנוסף, ישנן מספר מגבלות כלליות יותר לטכניקה, אשר אינן ספציפיות עבור בעלי חיים phMRI. בנוסף, כפי שציין מרטין Sibson 11, לבלבל את הפוטנציאל של כל המחקרים-fMRI היא כי ההנחה היא כי שינויים בפעילות המוח שעוררו אתגר משקפים שינויים בפעילות העצבית ולא תופעות מערכתיות הפריפריה. בעיקר מבנים מוחיים עמוקים יותר, ההבנה הדלה יחסית של צימוד neurovascular (הקשר בין הפעילות העצבית שינויים ושינויים המודינמים) נשאר. מחקרים מהסוג שביצע Logothetis 10 כדי לקבוע צימוד neurovascular בקליפת טרם בוצעו בחלקים אחרים של המוח. לא ידוע אם כן מה עליה אות BOLD מבנים חשובים כגון הסטריאטום או האמיגדלה היא אפשר לדעתגרם לנו על הפעילות העצבית. הכי טוב אפשר לומר שברגע זה הוא אזור במוח מגיב על האתגר נתון זה תלוי בטיפול ו / או התנאים, אנו יכולים לעקוב אחר שינויים משמעותיים של תגובתיות המוח. במידה רבה זה יכול להיות מאומת על ידי הסתכלות על שני נתוני ה-MRI ותגובות פיזיולוגיות. תבנית כללית של פעילות המוח צריך להיות באזור מסוים מוגבלת לאזורים עם, במקרה זה, עצבוב גבוה 5-HT, ולא עד כמה התגובה של כלי הדם באופן כללי. כמו כן, הפרופיל הזמני שונה בין שינויים בכלי הדם ואת hemodynamic צפוי. ואילו שינויים בלחץ הדם לחזור ערכי הבסיס שלהם בתוך מספר דקות, את ההשפעה של התרופה על הפעלת מודגש במקרה של פלואוקסטין הנראה עד סוף רכישת התמונה מתאימות יודעים המאפיינים פרמוקוקינטיים של תרופה זו. לבסוף, את התגובות הפיזיולוגיות של כל בעלי החיים צריך להיות דומה כדי לעשות השוואות בין הנושא. Nonetheless, ידוע כי תקנה neurogenic של זרימת הדם המקומית על ידי 5-HT קיימים 4. לכן לא ניתן לשלול כי שינויים מקומיים של האות BOLD יכול לייחס לשינויים בכלי הדם בשל שחרור של 5-HT על הקרבה של כלי. למרות השפעות אלו אינם קשורים להפעלה עצבית מקומית ולכן יכול להיחשב תוצאות חיוביות שגויות, הוא גם אינדקס של פונקציה ספציפית הכוללת של המערכת 5-HT (ראו גם 3).
השלבים הקריטיים של הטכניקה הזו ולכן הם לעקוב אחר התגובות הפיזיולוגיות בהרחבה על מנת לוודא כי התנאים הפיזיולוגיים של בעל החיים הם יציבים לפני ובמהלך רכישת התמונה. גם התנאים סורק צריכה להיות יציבה ככל האפשר בדיוק את אותו הדבר עבור כל חיה. יציבות האות של רצף יש לבדוק ואישר לפני תחילת הניסוי. יתר על כן, הקפד תמיד יש כוח סטטיסטי מספיק גדול, אפילו עם Grou נושא קטןPS. לסקירה נחמדה על השיקולים ניסיוניים של בעלי חיים phMRI באופן כללי, ראה המשרתים 20 ו לדוגמה נוספת של פרוטוקול הניסוי עבור fMRI תרופתי אצל חולדות ועכברים, ראה פרארי 5.
שינויים אפשריים של הטכניקה המתוארות כאן הן רבות. אחד יכול:
- באמצעות תרופה שונה לכל אתגר 5-HT, כמו ה SSRI אחרת או הקולטן 5-HT (נמלים) אגוניסטים 16,13,18,7 או אפילו אתגר כפול במטרה לחשוף את המנגנון הבסיסי של פעולת התרופה 6,19;
- להשתמש ההתקנה ניסויים שונים, כגון משטר הרדמה שונים, הנשמה מלאכותית, דם בריכת סוכנים בניגוד מודגש במקום 15, מחקרים ארוכי טווח (בעל חיים צריך להיות כל הזמן בחיים, כך שאין לחץ דם פולשנית / דם גז מדידה ו / או אוורור מכני אפשריים), או אפילו שילוב עם (פולשנית) שיטות אחרות, כגון הקלטה של הפעילות העצבית באמצעות MR תואם electrodes 10 או PET / SPECT מחקרים 4;
- משתמשים שונים ה-MRI ניתוח נתונים בשיטות כגון שיטת "P-בלוק" של McKie 12 או ניתוח קישוריות תפקודית 15.
אילו הבחירות שתבצע בהגדרת הניסוי תלויה מאוד את האפשרויות ו / או ניסיון בתחום המעבדה שלך ואת סוג של שאלת המחקר היית רוצה לענות.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומנת על ידי ארגון הולנד למחקר מדעי (NWO) (ללא Veni. 916.86.125), הוענק ל Reneman. למממן לו שום תפקיד בעיצוב המחקר, איסוף נתונים וניתוח, ההחלטה לפרסם או הכנת כתב היד. אין ניגוד עניינים.
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).
