Pozitron Emisyon Tomografi ile kullanma Non-invaziv Görüntüleme ve Serebral iskemi Analizi Yaşam Sıçanlarda<sup> 18</sup> F-FDG
Summary
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.
Abstract
İnme yaş Amerikalılar 65 yıl veya 1 büyük arasında üçüncü ölüm nedenidir. Bir inme muzdarip hastaların yaşam kalitesi akut inme klinik tedavi mevcut olmaması kaynaklanmaktadır hastaların 2 büyük çoğunluğu, normale dönmek için başarısız olur. Bu zaman içinde beyin dokusu üzerinde serebral iskemi fizyolojik etkilerini anlamak gerektirir ve aktif araştırma önemli bir alandır. Bu amaçla, deneysel ilerleme Pozitron Emisyon Tomografi (PET) görüntüleme 3,10,17 ile birleştiğinde non-invaziv yöntemler gibi 18 F-fluorodeoksiglikoz'dur (FDG) kullanılarak, özellikle inme için bir preklinik model olarak sıçan kullanılarak yapılmıştır. Burada bir X-ışını bilgisayarlı tomografi (BT) ile birleştiğinde FDG-PET ile 24 saat boyunca etkisini insanlarda (MCAO) orta serebral arter tıkanıklığı ile sıçanlarda taklit eden fokal serebral iskemi serebral iskemi teşvik ve görüntüleme için bir strateji sunmak Albira PET-BT cihazı. Bir VOI şablon atlası sonra beyin ve alt-bölgeler 4 bir tarafsız analiz sağlamak için serebral sıçan verilerine erimiş oldu. Buna ek olarak, FDG-PET-BT zamanla 3D görselleştirme için bir yöntem sunulmuştur. Özetle, biz, başlatılması ölçülmesi ve FDG-PET kullanılarak üç boyutlu yaşayan bir Sprague-Dawley sıçan bir bağlı iskemik inme olayı görselleştirmek için ayrıntılı bir protokol mevcut.
Introduction
İnme, gelişmiş ülkelerde ölüm önde gelen nedenlerinden biridir ve 1 19 üzerinden Amerikalıların 1 ölümünden doğrudan sorumludur. Bu 87% doğada 5 iskemik olan dışında yaklaşık 795.000 Amerikalılar, her yıl inme yaşadıklarını tahmin edilmiştir. Bir iskemik olay sırasında, kortikal nöronların oksijen ve glikoz sürekli besleme ciddi etkilenen beyin bölgelerinde hücresel fonksiyonlarda azalma yol açan hipoksik bir ortam, indükleyici bozulur. Inme şiddetine bağlı olarak, serebral kan akımı ve glikoz alımını mekansal ve zamansal değişir.
Inme nedeniyle hasar, non-invaziv yöntemlerle gibi 18 F-fluorodeoksiglikoz'dur (FDG) Pozitron Emisyon Tomografi 6 tespit edilebilir. FDG 2 'pozisyonundaki hidroksil grubu, 18F izotop yayan pozitron ile ikame edilmiş bir glikoz analogudur. 18F avantajlı olarak birbeyin glikoz tüketim tespit etmek için kullanılabilir sağlayan, uzun, 110 dakikalık bir yarı ömrü nedeniyle ageous. FDG PET gibi dokular 8 yüksek metabolik olarak aktif olduğuna işaret eden, K yüksek glukoz tüketimi bölgelerinde birikme eğilimindedir 18 gibi beyin 7 içinde deoksiglükoz tüketimi kantitatif yüksek çözünürlüklü ilk üretir. 18 F çekirdeği hızla cihaz tarafından tespit edilir gama ışınları üreten, yakındaki bir elektron ile annihilates bir pozitron, serbest, beta-çürüme uğrar. FDG PET taramaları, böylece aynı kişide zaman içinde beyin aktivitesindeki değişiklikleri incelemek için bir yol sağlayarak, tarama işlemleri arasında, en az 10 18 F yarı ömür, veya yaklaşık 18 saat ile aynı kişide tekrar edilebilir.
Sıçan gibi klinik öncesi hayvan modellerinde, genellikle vuruş etkisini ve felç tedavi etkinliğini değerlendirmek için kullanılır. FDG PET non-invaziv olduğundan, ölçmek için kullanılabilirhayvan fizyolojisini bozmadan zamanla inme etkisi. Inme olay konumuna bağlı olarak, beynin farklı bölgelerinde etkilenebilir. Bununla birlikte, bu sıçanlar gibi küçük hayvanlarda, el ile tanımlanması ve zor olabilir sıçan beyninin belirli bölgelerde aktivitesi kapsayacaktır. Zamanla sıçan beyninin belirli bölgelerde glikoz metabolik aktivitesi karşılaştırma amacıyla, (VOI) sayısal olarak ilgi miktarlar sürekli olarak tarif edilmelidir. Sıçan beyin kesin bir atlası bu sorunu hafifletmek için 9 geliştirilmiştir ve klinik öncesi FDG-PET verilerinin ölçümü kullanılmak üzere dijital forma dönüştürülmüştür. Burada tutarlı, metodik bir şekilde inme doku hasarı sınıflandırmak için bir yöntem mevcut. yöntem inme etkilenen belirli beyin alt-bölgeler miktarının, bir hayvan modelinde serebral iskemi başlatmak için cerrahi prosedür ayrıntıları ve inme üç boyutlu ölçüde görselleştirme ve konumunu üretmekUygun teknik ve araçları kullanılarak doku hasarı. Bu çalışmada açıklanan metodoloji kullanarak, araştırmacılar sürekli, sıçanlarda serebral iskemi başlatmak PET görüntüleme yapmak, ve zamanla klinik öncesi inme modellerinde tanımlanan beyin bölgeleri kullanarak FDG tutulumu değişiklikleri ölçmek olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada inme indüksiyon, PET görüntüleme ve Sprague-Dawley sıçanlarda doku hasarının standart beyin alt-bölge ölçümü için ayrıntılı bir strateji sunmak. Inme etkili olması için işleme son derece kısa bir tedavi süresine bağlıdır özellikle inme alanda küçük hayvan modelleri Görüntüleme, faydalıdır. Burada inme orta serebral arter tıkanması yoluyla oluşturuldu burada bir yaralanma-reperfüzyon modeli sunmak, ve görüntüleme anatomik referans için bir X-ışını BT yanında, PET ile FDG kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Beyin alt-bölgeler içinde FDG tutulumu regimented ölçümleri PMOD görüntü analiz yazılımı içinde sıçan beyninde üzerine VOI şablon atlas hassas haritalama ile mümkün olmuştur. Rasyometrik FDG değerleri farklı hayvanlar ve zaman p arasındaki küresel FDG PET sinyali varyasyonları için normalize ederken hasar basit bir ölçüm sağlayan, karşıt hemisferde gelen beyin alt-bölgeler bölünmesiyle toplandıoints. Bu ölçümler, sürekli gösteren ipsilateral yarımkürenin bazı bölgelerinde beyin dokusu glikoz alımını önemli kayıp, sıçan beyninde inme beklenen etkisi ile tutarlıdır. Bu metodoloji iskemik inme dahil olmak üzere beyin travması birçok türde, uygulanan hayvanların FDG PET veri setleri karşılaştırmak için yeteneğimizi artırmak potansiyeline sahiptir. Hacimleri standardize ederek beyin hemisfer arasında ve birden hayvanlar arasında sayısal edilecek, bu yöntem azalmış doku glikoz alımını tutarlı ölçümler üretir. D2 reseptörleri için 11 ° C-rakloprid, hem de 21 bu protokol ile kullanılabilmektedir gibi beyin alımı ile diğer PET izleyiciler edin. Son olarak, üç boyutta yüksek anatomik doğruluk ile iskelet içinde sıçan beyninde bir iskemik inme görselleştirmek için bir yöntem tarif. Inme kaynaklı fizyolojik ve fonksiyonel bozukluğu görüntüleme bu non-invaziv bir yöntem, geçici veya kalıcı olabilir bu yanaAraştırmacılar, bir zaman süresi boyunca aynı hayvanda beyin hasarı değerlendirmek için izin verir. Bu nörolojik aynı hayvanda kısa ve uzun vadeli nörolojik defisit sıçan skor, hem de değerlendirmek için bir yol sağlar. PMOD yazılım şablon işlevi hassas belirli bir miktarda araştırmacılar yaralanma alanı harita ve belki de nörolojik sekel ve davranış kalıpları ilişkilendirmek için izin verir.
Beyin alt-ile inme hasar doğru ölçümü için, önemli bir adım PMOD içinde sıçan beyin atlas ile PET verilerinin hizalama olduğunu. Hizada tutarsızlıklar iskemi etkilenen beyin alt bölgesinin doğru miktarının neden olabilir. Protokolün adım 4.1.7 tarif edildiği gibi, bu deney, PET veri beyin atlası hizalanması için işareti olarak Harder bezinde kullanılması mümkündür. Kısmi hacim etkileri (PKE) Bu tür bir analiz sırasında bir endişe vardır ve beyin yapısının genel çözünürlük sınırı olacakgörüntülenebilir. Sinyal dağıtma bitişik birimler arasında oluşabilir, Voi kendisi, yöntem 22. kantitatif hassasiyetini azaltır, gösterge çözünürlüğe ilişkin çok küçük olabilir. Bu çalışmalarda kullanılan Albira PET sistemi üç detektör halkaları ile donatılmış 1.5 mm 23 elde tek bir halka sistemi, karşılık gelen gelişmiş 1.1 mm'lik bir çözünürlük elde edilir. Buvat ve iş PVE 3- için 5,6-18,9 mm3 olan küresel bir hacme karşılık gelecek 2-3x tam genişliği yarım max (FWHM) sistem çözünürlüğü daha düşük bir çapı olan tümör ölçümleri etkileyebilecek dikkat halka Albira. Casteels ark. Son zamanlarda 8 mm 3 daha büyük hacimler 1,1-1,3 mm 24 aralığında çözünürlüğe sahip, modern klinik öncesi PET tarayıcılar için asgari kısmi hacim etkileri olacağını belirtti. Schiffer atlas dikkatle göz önünde bu parametreler ile inşa, ve 5 kullanır olmuştur8 VOIs, 8 mm 3 eşiğin altına 13 düşüş. Bunlar hakkı için vois ve medial prefrontal korteks sol hemisfer (6,3 mm 3, R / L) arasında, Par A Cortex (7.6 mm 3, R / L), üstün kollikulus (7.1 mm 3, R / L) , VTA (5.5 mm3, R / L), alt kollikulus (5.7 mm3, R / L), hipofiz (5.9 mm3) ve CB, kan akış 5.1 mm (3). Buna ek olarak, frontal korteks (1.4 mm 3 R / L) ölçümleri nedeniyle küçük boyutu PvE için en duyarlı olacaktır.
Anatomi boyutunda mukabil bir artışa sahip fareler gibi daha büyük hayvanlarda yapılan çalışmalar, güvenli bir farelere kıyasla ölçülebilir edilebilir beyin alt bölgeler daha büyük bir sayı olacaktır. Bununla birlikte, bu yöntemler 18 alt bölgelere oluşan PMOD mevcut kendi beyin atlas sahip farelerde, beyin görüntüleme için geçerliPVE en aza indirmek için boyuttadır. Ayrıca, PET ile alternatif bir yöntem kullanılarak gerektirebilir Bu çalışmada açıklanan daha küçük beyin bölgeleri tanımlamak için. Burada tarif edilen yöntem, burada canlı sıçanlarda, beyin alt-bölümlere göre zaman içinde beyin dokusu hasarı, regimented ve etkili bir miktarının sağlar. Iskemiye bağlı yaralanma burada örnek olarak gösterilmiştir, ancak beyin aktivitesindeki değişikliklerin ölçümü için sunulan yöntem, sıçan beyni etkileyen başka herhangi bir durumda uygulanabilir.
Sonuç olarak, küçük hayvanların FDG-PET-BT verileri non-invazif ve ekonomik bir şekilde elde edilebilir ve uygun bir şekilde kantitatif bir tarzda küçük hayvan görüntüleme için kullanılabilir. PMOD programının Schiffer şablon aracını kullanarak, beynin iskemik alanların belirginlik ve PET veri ölçülebilir. Bu developme teşvik edecek serebral iskemi sonrasında güçlü bir beyin yeniden, onarım gelecekteki çalışma için aracı ve nöron olduğunuEngelli inme hastalarının nöro-tedavilerin nt. Bu görselleştirme doku hasarı ayrı görüntüleme yöntemlerinden uyumlu olabilir beyin travması, diğer davaları değerlendirirken özellikle yararlı olacaktır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported by a grant from Bruker Molecular Imaging (to WML) and from the NIH (Grant HL019982 to FJC).
Materials
| 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 |
References
- Minino, A. M., Murphy, S. L., Xu, J., Kochanek, K. D. Deaths: final data for 2008. Natl Vital Stat Rep. 59, 1-126 (2011).
- Niemi, M. L., Laaksonen, R., Kotila, M., Waltimo, O. Quality of life 4 years after stroke. Stroke. 19, 1101-1107 (1988).
- Ter-Pogossian, M. M., Phelps, M. E., Hoffman, E. J., Mullani, N. A. A positron-emission transaxial tomograph for nuclear imaging. 114, 89-98 (1975).
- Schiffer, W. K., et al. Serial microPET measures of the metabolic reaction to a microdialysis probe implant. J Neurosci Methods. 155, 272-284 (2006).
- Roger, V. L., et al. Heart disease and stroke statistics–2012 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 125, e2-e220 (2012).
- Heiss, W. D., et al. Progressive derangement of periinfarct viable tissue in ischemic stroke. J Cereb Blood Flow Metab. 12, 193-203 (1992).
- Foster, N. L., et al. Alzheimer’s disease: focal cortical changes shown by positron emission tomography. Neurology. 33, 961-965 (1983).
- Bustamante, E., Pedersen, P. L. High aerobic glycolysis of rat hepatoma cells in culture: role of mitochondrial hexokinase. Proc Natl Acad Sci U S A. 74, 3735-3739 (1977).
- Toga, A. W., Santori, E. M., Hazani, R., Ambach, K. A 3D digital map of rat brain. Brain Res Bull. 38, 77-85 (1995).
- Yuan, H., et al. Saptiotemporal uptake characteristics of [18]F-2-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose in a rat middle cerebral artery occlusion model. Stroke. 44, (2013).
- Nemoto, E. M., Hossmann, K. A., Cooper, H. K. Post-ischemic hypermetabolism in cat brain. Stroke. 12 (5), 666-676 (1981).
- Sachdev, P. S., Chen, X., Joscelyne, A., Wen, W., Brodaty, H. Amygdala in stroke/transient ischemic attack patients and its relationship to cognitive impairment and psychopathology: the Sydney stroke study. Am. J. Geriatr. Psychiatry. 15, 487-496 (2007).
- Nagasawa, H., Kogure, K. Correlation between cerebral blood flow and histologic changes in a new rat model of middle cerebral artery occlusion. Stroke. 20, 1037-1043 (1989).
- Hauber, W., Schmidt, W. J. Differential effects of lesions of the dorsomedial and dorsolateral caudate-putamen on reaction time performance in rats. Behavioral Brain Research. 60, 211-215 (1994).
- Davis, A. E., Gimenez, A. M., Therrien, B. Effects of entorhinal cortex lesions on sensory integration and spatial learning. Nurs. Res. 50, 77-85 (2001).
- Hausler, R., Levine, R. A. Auditory dysfunction in stroke. Acta Otolaryngol. 120, 689-703 (2000).
- Cechetto, D. F., Wilson, J. X., Smith, K. E., Wolski, D., Silver, M. D., Hachinski, V. C. Autonomic and myocardial changes in middle cerebral artery occlusion: stroke models in the rat. Brain Res. 502, 5296-5305 (1989).
- Carmichael, S. T., Wei, L., Rovainen, C. M., Woolsey, T. A. New patterns of intracortical projections after focal cortical strike. Neurobiol. of Disease. 8, 910-922 (2001).
- Failor, S., et al. Neonatal cerebral hypoxia-ischemia impairs plasticity in rat visual cortex. J. Neurosci. 30, 81-92 (2010).
- Wurtz, R. H., Albano, J. E. Visual-motor function of the primate superior colliculus. Ann. Rev. Neurosci. 3, 189-226 (1980).
- Kuhn, F. P., et al. Comparison of PET template-based and MRI-based image processing in the quantitative analysis of C11-raclopride PET. EJNMMI Res. 4 (1), 7 (2014).
- Soret, M., Bacharach, S. L., Buvat, I. Partial-Volume Effect in PET Tumor Imaging. J. Nuc. Med. 48, 932-945 (2007).
- Sanchez, F., et al. ALBIRA: A Small Animal PET/SPECT/CT Imaging System. Med. Phys. 40 (5), 051906 (2013).
- Casteels, C., et al. Construction and Evaluation of Quantitative Small-Animal PET Probabilistic Atlases for [18F]FDG and [18F]FECT Functional Mapping of the Mouse Brain. PLOS One. 8 (6), e65286 (2013).
