In vivo beeldvorming van Optic Nerve Fiber Integrity by-Contrast Enhanced MRI in Muizen
Summary
Deze video illustreert een methode, met behulp van een klinische 3 T scanner, voor contrast-versterkte MRI van de naïeve muis visuele projectie en voor herhaalde en longitudinale in vivo studies van de oogzenuw degeneratie geassocieerd met acute oogzenuw verpletteren letsel en chronische oogzenuw degeneratie in knock-out muizen (p50 KO).
Abstract
Het knaagdier visuele systeem omvat retinale ganglion cellen en hun axonen die de oogzenuw te vormen om thalamische en middenhersenen centra, en postsynaptische projecties in te voeren om de visuele cortex. Op basis van zijn aparte anatomische structuur en gemakkelijke toegankelijkheid, is het uitgegroeid tot de favoriete structuur voor studies op neuronale overleving, axonale regeneratie, en synaptische plasticiteit. Recente ontwikkelingen in de MRI zijn de in vivo visualisatie van de retino-tectal deel van deze projectie met behulp van mangaan gemedieerde contrast enhancement (MEMRI) ingeschakeld. Hier presenteren we een MEMRI protocol ter illustratie van de visuele projectie in muizen, waarbij resoluties (200 um) 3 worden bereikt gebruikelijke 3 Tesla scanners. We zien hoe intravitreale injectie van een enkele dosis van 15 nmol MnCl2 tot een verzadigde verbetering van de intacte uitsteeksel binnen 24 uur. Met uitzondering van het netvlies, zijn veranderingen in de intensiteit van het signaal onafdent van samenvallende visuele stimulatie of fysiologische veroudering. We deze techniek verder toepassen lengterichting te controleren axonaledegeneratie in respons op acute optische zenuw letsel, een paradigma waarbij Mn 2 + vervoer volledig arrestaties op de laesie. Omgekeerd actieve Mn 2 + transport kwantitatief evenredig met de levensvatbaarheid, nummer en elektrische activiteit van axon vezels. Voor een dergelijke analyse, illustreren we Mn 2 + transportkinetiek langs de visuele pad in een transgene muismodel (NF-kB p50 KO) weergeven van spontane atrofie van sensorische, waaronder visuele, projecties. In deze muizen, MEMRI geeft verminderd, maar niet vertraagd Mn2 + transport in vergelijking met wildtype muizen, waardoor onthullend tekenen van structurele en / of functionele beperkingen door NF-KB mutaties.
Samengevat, MEMRI gunstig bruggen in vivo testen en post mortem histologie voor de characterizatiop van zenuwvezel integriteit en activiteit. Het is zeer nuttig voor longitudinale studies op axonale degeneratie en regeneratie, en onderzoeken van mutante muizen voor echt of induceerbare fenotypes.
Introduction
Op basis van haar gunstige neuro-anatomische structuur het knaagdier visuele systeem biedt unieke mogelijkheden om farmacologische stoffen en hun vermogen evalueren om neuroprotection 1 of pro-regeneratieve effecten 2,3 bemiddelen. Bovendien kan onderzoek naar de functionele en neuro-anatomische kenmerken van muis mutanten, zoals onlangs geïllustreerd voor muizen die het presynaptische steiger eiwit Bassoon 4. Bovendien is een breed spectrum van aanvullende instrumenten biedt extra kenmerken van retinale ganglioncellen (RGC) en RGC axon nummers evenals RGC activiteit, bijvoorbeeld door elektroretinografie en gedragstesten, en de bepaling van de corticale herschikkingen door optische beeldvorming van intrinsieke signalen. De laatste technische ontwikkelingen in de laser microscopie mogelijk te maken de in situ visualisatie van RGC regeneratie door diepe weefsel fluorescentie beeldvorming in ganse berg exemplaren van de oogzenuw (ON) en de hersenen. In deze histologsche benadering, tetrahydrofuraan gebaseerd weefsel clearing in combinatie met licht blad fluorescentie microscopie maakt de oplossing van enkele vezels die opnieuw in te voeren in de deafferented ON en tractus opticus 5. Hoewel dergelijke technieken superieur resolutie en bepaling van groeipatronen kunnen zijn, ze repetitief en longitudinale analyses van individuele groei gebeurtenissen, die bijzonder gewenst zijn om het proces van langdurige regeneratie kan beoordelen.
Contrast-versterkte MRI is gebruikt voor de minimaal invasieve visualisatie van de retino-tectal projectie bij muizen en ratten 6,7. Dit kan worden bereikt door directe intra-oculaire aflevering van paramagnetische ionen (bijvoorbeeld Mn2 +) retinale cellen. Als calcium analoge, Mn 2 + wordt via voltage-gated calcium kanalen opgenomen in RGC somata en langs de axonale cytoskelet van de intacte ON en tractus opticus actief vervoerd. Terwijl het zich ophoopt in de hersenen kernenvan de visuele projectie, dwz de laterale nucleus geniculate (LGN) en superieure colliculus (SC), transsynaptische propagatie in de primaire visuele cortex lijkt verwaarloosbaar 8,9, maar het kan voorkomen 10,11. Onder MR sequencing, paramagnetische Mn 2 + breidt MR contrast voornamelijk door het verkorten van de T 1 spin-rooster relaxatietijd 12. Dergelijke Mn 2 + versterkte MRI (MEMRI) is met succes in diverse neuro-anatomische en functionele studies van ratten, inclusief de beoordeling van axonale regeneratie en degeneratie na ON letsel 13,14 toegepast, de precieze anatomische mapping van de retino-tectal projectie 15 , evenals de bepaling van axonaal transport karakteristieken na farmacologische behandeling 16. Recente verbeteringen in de dosering, toxiciteit en kinetiek van neuronale Mn2 + opname en transport, alsmede een verbeterde MRI protocollen toepassing uitgebreid onderzoek naar transgene9 muizen met 3 Tesla scanners gebruikt in klinische praktijk 17.
Hier presenteren we een MEMRI protocol geschikt zijn voor longitudinale in vivo beeldvorming van de muis retino-tectal projectie en voorbeelden van de toepasbaarheid van het beoordelen van Mn 2 + afhankelijke versterking signaal onder naïef en diverse neurodegeneratie voorwaarden. Ons protocol legt bijzondere nadruk op MR data-acquisitie in een matig 3 T magnetisch veld dat is over het algemeen toegankelijker dan toegewijde dier scanners. In naïeve muizen, we zien hoe darmkanaal-specifiek signaal intensiteit kan zijn aanzienlijk en reproduceerbaar worden verhoogd na intravitreaal (ivit) Mn 2 +-toepassing. Kwantitatief, Mn 2 + voortplanting langs de visuele projectie gebeurt onafhankelijk van het normale verouderingsproces (gemeten tussen 3 en 26 maanden oude muizen) en vergroting ongevoelig is voor visuele stimulatie en aanpassing aan de duisternis. Daarentegen Mn <sup> 2 + verrijking in thalamus en middenhersenen centra is verminderd na acute OP crush 18 alsook in nfkb1 knock-out muizen (p50 KO) lijden aan spontane apoptotische RGC dood en ON degeneratie 19. Dus, in het vergroten van conventionele histologische analyse, longitudinale MEMRI analyse van individuele dieren maakt profilering van unieke kinetiek van neurodegeneratieve processen. Dit moet nuttig zijn voor studies over neuroprotection en axonale regeneratie geassocieerd met farmacologische of genetische interventies blijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
MEMRI van het visuele systeem breidt conventionele neurobiologische technieken voor het beoordelen van de functionaliteit onder naïef en pathologische omstandigheden. Naast het bieden van een uniek inzicht in de integriteit van een geïsoleerd CZS vezel-darmkanaal, kan MEMRI gemakkelijk worden aangevuld met gedragstesten, bijvoorbeeld, optometrie en visueel gebaseerd water taken, om de onmiddellijke gevolgen van een bepaald paradigma voor visuele waarneming te onderzoeken. Het verbindt ook elektrofysiologische…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AK wordt ondersteund door de Oppenheim Foundation en RH wordt ondersteund door de Velux Foundation. Wij danken I. Krumbein voor technische en K. Buder voor histologische ondersteuning en J. Goldschmidt (Leibniz Instituut voor Neurobiologie, Magdeburg, Duitsland) voor technisch advies inzake TIMM kleuring.
Materials
| Manganese (II) chloride solution 1M | Sigma Aldrich, Taufkirchen, Germany | M1787 | MEMRI contrast reagent |
| Conjuncain | Dr. Mann Pharma, Berlin, Germany | PZN 7617666 | 0.4% oxybuprocaine hydrochloride |
| Floxal eye drops | Dr. Mann Pharma, Berlin, Germany | PZN 3820927 | 3 mg/ml ofloxacin |
| Ointment panthenol | Jenapharm, Jena, Germany | PZN 3524531 | |
| Chloral hydrate | Sigma Aldrich, Taufkirchen, Germany | C8383 | 420-450 mg/kg body weight |
| Isoflurane | Actavis, Munich, Germany | PZN 7253744 | |
| Hamilton syringe | Hamilton Company, Reno, NV, USA | 7634-01 | SYR 5 µl, 75 RN, no NDL |
| 34 G needle (34/35/pst4/tapN) | Hamilton Company, Reno, NV, USA | 207434/00 | removable needle RN, 34 gauge, lenght 38.1 mm, point style 4 |
| Binocular Stemi-2000 | Zeiss, Oberkochen, Germany | ||
| 3T MRI scanner Magnetom TIM Trio | Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany | ||
| Rat head coil | Doty Scientific Inc., Columbia, SC, USA | ||
| Mouse holder | custom made | ||
| Red light lamp | |||
| Frozen section medium NEG-50 | Thermo Fisher Scientific, Schwerte, Germany | 6502 | tissue embedding for cryo-sections |
| Sodium dihydrogen phosphate monohydrate (NaH2PO4) | Merck, Darmstadt, Germany | 106346 | for sulfide perfusion |
| Sodium sulfide nonahydrate (Na2S × 9 H2O) | Sigma Aldrich, Taufkirchen, Germany | 208043 | |
| gum arabic | Roth, Arlesheim, Switzerland | 4159 | for TIMM staining |
| Hydroquinone (C6H6O2) | Roth, Arlesheim, Switzerland | 3586 | |
| Citric acid (C6H8O7) | Roth, Arlesheim, Switzerland | 6490 | |
| Tri-sodium citrate dihydrate (C6H5Na3O7 x 2H2O) | Merck, Darmstadt, Germany | 106448 | |
| Silver nitrate (AgNO3) | Roth, Arlesheim, Switzerland | 7908 | |
References
- Kretz, A., et al. Simvastatin promotes heat shock protein 27 expression and Akt activation in the rat retina and protects axotomized retinal ganglion cells in vivo. Neurobiol Dis. 21, 421-430 (2006).
- Lima, S., et al. Combinatorial therapy stimulates long-distance regeneration, target reinnervation, and partial recovery of vision after optic nerve injury in mice. Int Rev Neurobiol. 106, 153-172 (2012).
- Lima, S., et al. Full-length axon regeneration in the adult mouse optic nerve and partial recovery of simple visual behaviors. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 9149-9154 (2012).
- Goetze, B., et al. Vision and visual cortical maps in mice with a photoreceptor synaptopathy: reduced but robust visual capabilities in the absence of synaptic ribbons. Neuroimage. 49, 1622-1631 (2010).
- Luo, X., et al. Three-dimensional evaluation of retinal ganglion cell axon regeneration and pathfinding in whole mouse tissue after injury. Exp Neurol. 247, 653-662 (2013).
- Pautler, R. G., et al. In vivo neuronal tract tracing using manganese-enhanced magnetic resonance imaging. Magn Reson Med. 40, 740-748 (1998).
- Watanabe, T., et al. Mapping of retinal projections in the living rat using high-resolution 3D gradient-echo MRI with Mn2+-induced contrast. Magn Reson Med. 46, 424-429 (2001).
- Pautler, R. G. In vivo, trans-synaptic tract-tracing utilizing manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI). NMR biomed. 17, 595-601 (2004).
- Haenold, R., et al. Magnetic resonance imaging of the mouse visual pathway for in vivo studies of degeneration and regeneration in the CNS. Neuroimage. 59, 363-376 (2012).
- Lindsey, J. D., et al. Magnetic resonance imaging of the visual system in vivo: transsynaptic illumination of V1 and V2 visual cortex. Neuroimage. 34, 1619-1626 (2007).
- Bearer, E. L., et al. Role of neuronal activity and kinesin on tract tracing by manganese-enhanced MRI (MEMRI). Neuroimage. 37, S37-S46 (2007).
- Mendonca-Dias, M. H., et al. Paramagnetic contrast agents in nuclear magnetic resonance medical imaging. Semin Nucl Med. 13, 364-376 (1983).
- Thuen, M., et al. Manganese-enhanced MRI of the optic visual pathway and optic nerve injury in adult rats. J Magn Reson Imaging. 22, 492-500 (2005).
- Sandvig, I., et al. In vivo MRI of olfactory ensheathing cell grafts and regenerating axons in transplant mediated repair of the adult rat optic nerve. NMR biomed. 25, 620-631 (2012).
- Chan, K. C., et al. In vivo retinotopic mapping of superior colliculus using manganese-enhanced magnetic resonance imaging. Neuroimage. 54, 389-395 (2011).
- Chan, K. C., et al. In vivo chromium-enhanced MRI of the retina. Magn Reson Med. 68, 1202-1210 (2012).
- Herrmann, K. H., et al. Possibilities and limitations for high resolution small animal MRI on a clinical whole-body 3T scanner. Magma. 25, 233-244 (2012).
- Villegas-Perez, M. P., et al. Rapid and protracted phases of retinal ganglion cell loss follow axotomy in the optic nerve of adult rats. J Neurobiol. 24, 23-36 (1993).
- Takahashi, Y., et al. Development of spontaneous optic neuropathy in NF-κΒ50-deficient mice: requirement for NF-κΒp50 in ganglion cell survival. Neuropathol Appl Neurobiol. 33, 692-705 (2007).
- Herrmann, K. H. P., et al. MRI compatible small animal monitoring and triggering system for whole body scanners. Z Med Phys. 24, 55-64 (2013).
- Danscher, G., Zimmer, J. An improved Timm sulphide silver method for light and electron microscopic localization of heavy metals in biological tissues. Histochemistry. 55, 27-40 (1978).
- Angenstein, F., et al. Manganese-enhanced MRI reveals structural and functional changes in the cortex of Bassoon mutant mice. Cereb cortex. 17, 28-36 (2007).
- Thuen, M., et al. Manganese-enhanced MRI of the rat visual pathway: acute neural toxicity, contrast enhancement, axon resolution, axonal transport, and clearance of Mn(2). J Magn Reson Imaging. 28, 855-865 (2008).
- Lehmann, K., et al. Vision and visual plasticity in ageing mice. Restor Neurol Neurosci. 30, 161-178 (2012).
- Takeda, A., et al. Manganese transport in the neural circuit of rat CNS. Brain Res Bull. 45, 149-152 (1998).
- Nairismagi, J., et al. Manganese-enhanced magnetic resonance imaging of mossy fiber plasticity in vivo. Neuroimage. 30, 130-135 (2006).
- Smith, K. D., et al. In vivo axonal transport rates decrease in a mouse model of Alzheimer’s disease. Neuroimage. 35, 1401-1408 (2007).
- Berkowitz, B. A., et al. Noninvasive and simultaneous imaging of layer-specific retinal functional adaptation by manganese-enhanced MRI. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47, 2668-2674 (2006).
- Schnapf, J. L. B. D. A. How photoreceptor cells respond to light. Sci. Am. 256 (8), (1987).
- Yu, X., et al. In vivo auditory brain mapping in mice with Mn-enhanced MRI. Nat Neurosci. 8, 961-968 (2005).
- Sun, S. W., et al. Noninvasive topical loading for manganese-enhanced MRI of the mouse visual system. Invest Ophthalmol Vis Sci. 52, 3914-3920 (2011).
- Sun, S. W., et al. Impact of repeated topical-loaded manganese-enhanced MRI on the mouse visual system. Invest Ophthalmol Vis Sci. 53, 4699-4709 (2012).
