Brain damage resulting from cerebral ischemia may be non-invasively imaged and studied in rats using pre-clinical positron emission tomography coupled with the injectable radioactive probe, 18F-fluorodeoxyglucose. Further, the use of modern software tools that include volume of interest (VOI) brain templates dramatically increase the quantitative information gleaned from these studies.
Schlaganfall ist die dritthäufigste Todesursache unter den Amerikanern war 65 Jahre alt oder älter 1. Die Lebensqualität der Patienten, die einen Schlaganfall erleiden nicht normal in einer großen Mehrheit der Patienten 2, die vor allem auf derzeitige Mangel an klinischen Behandlung von akutem Schlaganfall ist zurück. Dies macht das Verständnis der physiologischen Wirkungen von zerebraler Ischämie auf Hirngewebe über die Zeit und ist ein wichtiger Bereich aktiver Forschung. Zu diesem Zweck hat experimentelle Fortschritte erzielt mit Ratten als präklinischen Modell für Schlaganfall, insbesondere mit nicht-invasiven Methoden wie 18 F-Fluorodesoxyglukose (FDG) in Verbindung mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Bildgebung 3,10,17. Hier präsentieren wir eine Strategie zur Induktion zerebraler Ischämie bei Ratten durch mittleren Hirnarterie Okklusion (MCAO) imitiert fokaler zerebraler Ischämie beim Menschen, und Abbildung ihrer Auswirkungen über 24 h mit FDG-PET in Verbindung mit Röntgen-Computertomographie (CT) mit einem Albira PET-CT-Gerät. Ein VOI Vorlage Atlas wurde anschließend zu den zerebralen Rattendaten verschmolzen, um eine unvoreingenommene Analyse des Gehirns und ihre Teilbereiche 4 zu ermöglichen. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur 3D-Visualisierung der FDG-PET-CT-Zeitverlauf dargestellt. Zusammenfassend stellen wir ein detailliertes Protokoll für die Einleitung, Quantifizierung und Visualisierung eines induzierten ischämischen Schlaganfall-Ereignis in einem Wohn Sprague-Dawley-Ratten in drei Dimensionen mit FDG-PET.
Schlaganfall ist eine der häufigsten Todesursachen in den Industrieländern, und ist direkt verantwortlich für den Tod von 1 von 19 Amerikanern 1 verantwortlich. Es wurde geschätzt, dass ungefähr 795.000 Amerikaner Erfahrung Hub jedes Jahr, von denen 87% von ihnen in der Natur ischämischen 5 sind. Während eines ischämischen Ereignisses ist eine kontinuierliche Versorgung mit Sauerstoff und Glucose zu der kortikalen Neuronen stark beeinträchtigt Induzieren einer hypoxischen Umgebung, die zu einer verminderten Zellfunktion in den betroffenen Hirnregionen führt. Abhängig von der Schwere des Schlaganfalls, variieren cerebralen Durchblutung und die Glukoseaufnahme räumlich und zeitlich.
Schäden durch Schlaganfall kann durch nicht-invasive Methoden identifiziert werden, wie zum Beispiel 18 F-Fluorodesoxyglukose (FDG) Positronen-Emissions-6. FDG ist ein Glucoseanalog wo die Hydroxylgruppe an der 2'-Position durch die Positronenemissions 18 F-Isotop ersetzt worden ist. 18 F ist advantageous aufgrund seiner langen, 110 Minuten-Halbwertszeit, so dass sie verwendet werden, um Glukoseverbrauch im Gehirn zu detektieren. FDG PET erzeugt eine quantitative hochauflösende Karte Desoxyglucose Verbrauch im Gehirn 7 als 18 F neigt dazu, in Bereichen mit hoher Glucoseverbrauch zu akkumulieren, was darauf hinweist, daß solche Gewebe sehr metabolisch aktiv 8. Die 18 F-Kern erfährt beta-Zerfall, die Freigabe einer Positronen, die rasch vernichtet mit einem nahe gelegenen Elektrons Herstellung von Gammastrahlen, die von dem Gerät erfaßt werden. FDG PET-Scans können in demselben Individuum mit mindestens 10 18 F-Halbwertszeiten, oder etwa 18 Stunden lang wiederholt werden, zwischen den Abtastungen, so dass ein Weg, um Veränderungen in der Hirnaktivität im Laufe der Zeit in dem gleichen Individuum zu untersuchen.
Präklinischen Tiermodellen, wie Ratten, werden oft verwendet, um die Auswirkungen von Schlaganfällen und die Wirksamkeit von Behandlungen von Schlaganfall bewerten. Da FDG PET ist nicht-invasiv, kann es verwendet werden, um zu messen,die Auswirkungen von Schlaganfällen im Laufe der Zeit ohne Beeinträchtigung der Physiologie des Tieres. Je nach dem Schlaganfall Lage, unterschiedliche Regionen des Gehirns beeinflußt werden. Jedoch mit kleinen Tieren wie Ratten, manuell Definieren und Quantifizieren Aktivität in spezifischen Regionen des Rattengehirns kann schwierig sein. Zur Glukosemetabolismus in spezifischen Regionen des Rattengehirns mit der Zeit zu vergleichen, müssen Volumina von Interesse (VOI) quantifiziert werden durchweg abgegrenzt werden. Eine präzise Atlas der Rattenhirn wurde entwickelt, um dieses Problem zu lindern, 9, und ist in digitaler Form für den Einsatz in Quantifizierung der präklinischen FDG-PET-Daten umgewandelt. Hier präsentieren wir eine Methode, um Schlaganfall Gewebeschädigung in einem konsistenten, methodisch zu klassifizieren. Das Verfahren beschreibt die chirurgische Prozedur zum Einleiten zerebraler Ischämie in einem Tiermodell, Quantifizierung spezifischen Gehirnunterregionen, die von Schlaganfall, und erzeugen eine dreidimensionale Visualisierung der Maße und Lage eines SchlaganfallsGewebeschäden mit Hilfe geeigneter Techniken und Werkzeuge. Unter Verwendung der in dieser Studie beschriebenen Methode können die Forscher konsequent einzuleiten zerebraler Ischämie bei Ratten, führen PET-Bildgebung und Quantifizierung von Veränderungen in der FDG-Aufnahme mit definierten Gehirnregionen in präklinischen Taktmodelle im Laufe der Zeit.
Hier präsentieren wir eine detaillierte Strategie für Schlaganfallinduktion, PET-Bildgebung und standardisierte Gehirn Subregion Messung der Gewebeschädigung in Sprague-Dawley Ratten. Abbildung kleiner Tiermodellen, insbesondere im Bereich von Schlaganfall ist vorteilhaft, da die Behandlung von Schlaganfall wirksam zu sein, hängt von einer extrem kurzen Therapiezeit. Hier präsentieren wir eine Verletzung-Reperfusion-Modell, bei dem Schlaganfall wurde über eine Okklusion der mittleren Hirnarterie induziert und mittels FDG-PET, neben einer Röntgen-CT für anatomische Referenz Bildgebung durchgeführt. Reglementiert Messungen der FDG-Aufnahme im Gehirn Subregionen wurde möglich durch präzise Abbildung der VOI Vorlage Atlas auf den Rattenhirn im PMOD Bildanalyse-Software. Ratiometrische FDG-Werte wurden durch Division entsprechenden Gehirn Subregionen in gegenüberliegenden Hemisphären gesammelt, die eine einfache Messung der Schäden ermöglicht, während eine Normalisierung Schwankungen der globalen FDG-PET-Signal zwischen verschiedenen Tieren und Zeit punkte. Diese Messungen sind im Einklang mit der erwarteten Wirkung der Strich auf dem Rattengehirn, demonstriert konsistent erheblichen Verlust von Gehirngewebe Glukoseaufnahme in bestimmten Regionen der ipsilateralen Hemisphäre. Diese Methode hat das Potential, unsere Fähigkeit FDG PET Datensätze von Tieren unterzogen viele Arten von Gehirntrauma, einschließlich Schlaganfall vergleichen erweitern. Durch die Standardisierung der Mengen, über Hemisphären des Gehirns und in mehreren Tieren quantifiziert werden, erzeugt diese Methode konsistente Messungen der verringerten Gewebeglukoseaufnahme. Beachten Sie, dass andere PET-Tracer mit Aufnahme in das Gehirn, wie 11 C-Racloprid für D2-Rezeptoren, kann mit diesem Protokoll und 21 verwendet werden. Schließlich beschreiben wir ein Verfahren, um einen ischämischen Schlaganfall im Gehirn einer Ratte in seinem Skelett mit hoher anatomischen Genauigkeit in drei Dimensionen zu visualisieren. Da könnte Schlaganfall-induzierten physiologischen und funktionellen Störungen vorübergehend oder bleibend sind, diese nicht-invasive Bildgebungsverfahren seinForscher können mit Hirnschäden im gleichen Tier über einen Zeitraum zu beurteilen. Es bietet eine Möglichkeit, neurologisch punkten die Ratten, aber auch zu bewerten kurz- und langfristigen neurologischen Defiziten im gleichen Tier. Die Template-Funktion des PMOD Software ermöglicht es den Forschern mit einer gewissen Präzision den Verletzungen Bereich zur Karte und vielleicht neurologische Folgeschäden und Verhaltensmustern zu korrelieren.
Für eine genaue Quantifizierung von Schlaganfall Beschädigung durch Gehirnteilbereich ist der Schlüsselschritt Ausrichtung der PET-Daten mit den Rattenhirnatlas innerhalb PMOD. Inkonsistenzen in Ausrichtung kann zu falschen Quantifizierung Gehirn Subregionen durch Ischämie betroffen führen. Wie in dem Protokoll Schritt 4.1.7 beschrieben, ist es möglich, die Harderian Drüsen als Landmarken zum Ausrichten der Gehirnatlas mit experimentellen PET-Daten zu verwenden. Partialvolumeneffekte (PVE) sind ein Problem bei dieser Art von Analyse, und die Gesamtauflösung der Gehirnstruktur zu begrenzen, dasskann abgebildet werden. Signal Greifen zwischen benachbarten Volumina auftreten oder das VOI selbst könnte zu klein in Bezug auf die Auflösung des Instruments sein, wodurch die quantitative Genauigkeit des Verfahrens 22 zu reduzieren. Die in diesen Studien verwendeten Albira PET-System ist mit drei Detektorringen versehen und liefert eine Auflösung von 1,1 mm, die aus entsprechenden Ein-Ring-System, das 1,5 mm 23 erreicht entwickelt. Buvat etal beachten PVE werden Messungen von Tumoren mit einem Durchmesser von weniger als 2-3 x die Auflösung des Systems mit voller Breite halbem Maximum (FWHM), die zu einem Kugelvolumen von 5,6 bis 18,9 mm 3 für die 3- entsprechen würde beeinflussen Ring Albira. Casteels et al. Vor kurzem erklärt, dass Volumes größer als 8 mm 3 minimal Partialvolumeneffekte für moderne präklinische PET-Scanner mit einer Auflösung im Bereich von 1,1 bis 1,3 mm 24 haben. Die Schiffer Atlas wurde sorgfältig mit diesen Parametern im Auge gebaut und nutzt 58 VOIs, davon 13 fallen unter die Schwelle 8 mm 3. Dazu gehören die VOIs für rechte und linke Hemisphäre des medialen präfrontalen Kortex (6,3 mm 3, R / L), die Par A Cortex (7,6 mm 3, R / L), den Colliculus superior (7,1 mm 3, R / L) Die VTA (5,5 mm 3, R / L), Colliculus inferior (5,7 mm 3, R / L), Hypophyse (5,9 mm 3) und die CB Blutfluß (5,1 mm 3). Darüber hinaus werden Messungen des frontalen Cortex (1,4 mm 3 R / L) am meisten anfällig für PVE aufgrund seiner geringen Größe.
Untersuchungen in größeren Tieren wie Ratten, die eine entsprechende Zunahme der Grße der Anatomie haben, eine größere Anzahl von Gehirnunterregionen, die im Vergleich zu Mäusen zuverlässig quantifiziert werden kann. Dennoch sind diese Methoden für Brain Imaging bei Mäusen, die ihre eigenen Gehirnatlas in PMOD, die von 18 Unterbereiche, die es zusammengesetzt ist, habenso bemessen, dass PVE zu minimieren. Ferner wurde unter Verwendung PET, noch kleinere Hirnregionen als in dieser Studie kann verlangen, den Einsatz alternativer Methoden beschrieben, zu identifizieren. Die hier beschriebene Methode ermöglicht reglementiert und effiziente Quantifizierung von Hirngewebe Schaden über Zeit, segmentiert durch Gehirnteilbereich, in lebenden Ratten. Verletzungen aufgrund von Ischämie ist hier als Beispiel gezeigt, aber die Methode zur Quantifizierung von Veränderungen in der Hirnaktivität dargestellt kann in eine andere Bedingung, die die Rattenhirn angewendet werden.
Abschließend kann FDG-PET-CT-Daten von kleinen Tieren in einer nicht-invasiven und wirtschaftlicher Weise gewonnen werden, und können leicht für Kleintierbildgebung in einer quantitativen Art und Weise verwendet werden. Verwendung der Schiffer Schablonenwerkzeug des PMOD Programm können ischämischen Bereiche des Gehirns, abgegrenzt werden, und die PET-Daten gemessen. Dies ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die zukünftige Untersuchung der Reorganisation des Gehirns, Reparatur und Neurogenese nach zerebraler Ischämie, die dynamisch entwickelnden fördernnt der Neurotherapien behinderter Schlaganfall-Patienten. Diese Visualisierung wird auch besonders nützlich bei der Bewertung der anderen Fälle von Gehirntrauma, wobei die Gewebeschädigung kann aus getrennten bildgebenden Verfahren ausgerichtet werden können.
The authors have nothing to disclose.
This study was supported by a grant from Bruker Molecular Imaging (to WML) and from the NIH (Grant HL019982 to FJC).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Albira PET SPECT CT | Bruker | 3D molecular imaging equipment | |
Sprague Dawley Rats | Charles River Laboratories | 400 | Animal Subjects |
18-F-D-Glucose | Spectron | PET compound | |
micro clamp | FST | artery clamp | |
occluder #4037 | Doccol Corp. | surgical stroke induction |