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.
السكتة الدماغية هي ثالث سبب رئيسي للوفاة بين الامريكيين 65 سنة من العمر أو أكثر 1. فشل نوعية الحياة للمرضى الذين يعانون من السكتة الدماغية للعودة إلى وضعها الطبيعي في الغالبية العظمى من المرضى 2، والذي يرجع أساسا إلى النقص الحالي في العلاج السريري للسكتة الدماغية الحادة. وهذا يتطلب فهم الآثار الفسيولوجية للنقص التروية الدماغية على أنسجة المخ على مر الزمن، ويمثل منطقة رئيسية للبحث النشط. وتحقيقا لهذه الغاية، تم إحراز تقدم التجريبي باستخدام الفئران كنموذج قبل السريرية للسكتة الدماغية، وخاصة، وذلك باستخدام أساليب غير الغازية مثل F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) إلى جانب البوزيترون البوزيتروني (PET) التصوير 3،10،17. هنا نقدم استراتيجية لإحداث نقص التروية الدماغية في الفئران عن طريق المتوسطة انسداد الشريان الدماغي (MCAO) أن يقلد البؤري نقص التروية الدماغية لدى البشر، والتصوير آثاره على مدى 24 ساعة باستخدام FDG-PET إلى جانب الأشعة السينية التصوير المقطعي (CT) مع البيرة PET-CT الصك. وتنصهر وأصوات العراق أطلس القالب بعد ذلك إلى البيانات الفئران الدماغية لتمكين تحليل غير متحيز في الدماغ والمناطق الفرعية (4). وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم وسيلة ل3D التصور للدورة الوقت FDG-PET-CT. وباختصار، فإننا نقدم بروتوكول مفصلة لبدء، قياس، وتصور حدثا السكتة الدماغية التي يسببها في الفئران سبراغ داولي الذين يعيشون في ثلاثة أبعاد باستخدام FDG-PET.
السكتة الدماغية هي واحدة من الأسباب الرئيسية للوفاة في الدول المتقدمة، ومسؤولة مباشرة عن وفاة 1 من 19 أمريكيا 1. وتشير التقديرات إلى أن حوالي 795،000 الأميركيين تجربة السكتة الدماغية كل عام، منها 87٪ من هذه هي الدماغية في الطبيعة 5. وخلال هذا الحدث الدماغية، إمدادات مستمرة من الأوكسجين والجلوكوز إلى الخلايا العصبية القشرية قد انخفضت قيمتها بشدة الأمر الذي أدى إلى بيئة ميتة، الأمر الذي يؤدي إلى انخفاض وظيفة الخلوية في مناطق الدماغ المتضررة. اعتمادا على شدة السكتة الدماغية، وتدفق الدم في الدماغ وامتصاص الجلوكوز يختلف مكانيا وزمانيا.
الأضرار الناجمة عن السكتة الدماغية يمكن تحديدها من خلال أساليب غير الغازية، مثل F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) البوزيترون البوزيتروني 6. FDG هو التماثلية الجلوكوز حيث تم استبدال مجموعة الهيدروكسيل في موقف 2 "من قبل بوزيترون التي ينبعث منها 18 F النظائر 18 F هو advantageous بسبب طويلة، و 110 دقيقة نصف الحياة، مما يسمح لاستخدامها للكشف عن استهلاك الجلوكوز في الدماغ. FDG PET تنتج عالية الدقة خريطة الكمية للاستهلاك deoxyglucose داخل الدماغ 7 الى 18 F يميل إلى تتراكم في مناطق الاستهلاك العالي الجلوكوز، مشيرا إلى أن هذه الأنسجة هي غاية عملية الأيض نشطة 8. 18 F نواة تمر اضمحلال بيتا، والإفراج عن بوزيترون، والتي أبادت بسرعة مع الإلكترون قريب، وتنتج أشعة جاما، والتي يتم الكشف عنها بواسطة الصك. بالاشعة FDG PET ويمكن تكرار في نفس الفرد مع 10 لا يقل عن 18 F حياة نصف، أو حوالي 18 ساعة، بين المسح، وبالتالي توفير وسيلة لدراسة التغيرات في نشاط الدماغ مع مرور الوقت في نفس الفرد.
النماذج الحيوانية قبل السريرية، مثل الفئران، وغالبا ما تستخدم لتقييم آثار السكتات الدماغية وفعالية من العلاجات للسكتة الدماغية. منذ FDG PET هو غير الغازية، فإنه يمكن استخدامها لقياسآثار السكتة الدماغية مع مرور الوقت دون تعطيل فسيولوجيا الحيوان. تبعا لموقع الحدث السكتة الدماغية، ويمكن أن تتأثر مناطق مختلفة من الدماغ. ومع ذلك، مع الحيوانات الصغيرة مثل الفئران، وتحديد يدويا وقياس النشاط في مناطق معينة من الدماغ الفئران يمكن أن يكون تحديا. من أجل مقارنة النشاط الأيضي الجلوكوز في مناطق معينة من الدماغ الفئران مع مرور الوقت، حجم الفائدة (أصوات العراق) أن يكون كميا يجب أن يرسم باستمرار. وقد تم وضع أطلس دقيقة للدماغ الفئران للتخفيف من حدة هذه المشكلة 9، وقد تم تحويلها إلى شكل رقمي لاستخدامها في القياس الكمي للبيانات FDG-PET قبل السريرية. نحن هنا نقدم وسيلة لتصنيف تلف الأنسجة السكتة الدماغية بطريقة متسقة والأزياء المنهجي. تفاصيل طريقة إجراء العمليات الجراحية لبدء نقص التروية الدماغية في نموذج حيواني، قياس مناطق فرعية محددة في الدماغ تتأثر السكتة الدماغية، وإنتاج تصور ثلاثي الأبعاد لمدى وموقع السكتة الدماغيةتلف الأنسجة باستخدام التقنيات والأدوات المناسبة. باستخدام المنهجية الموصوفة في هذه الدراسة، يمكن للباحثين بدء الدوام نقص التروية الدماغية لدى الفئران، وإجراء التصوير PET، وحجم التغيرات التي FDG امتصاص باستخدام مناطق الدماغ محددة في نماذج السكتة الدماغية قبل السريرية مع مرور الوقت.
نحن هنا تقديم استراتيجية مفصلة لتحريض السكتة الدماغية، والتصوير PET، وموحد الدماغ المنطقة الفرعية قياس تلف الأنسجة في الفئران سبراغ داولي. التصوير من النماذج الحيوانية الصغيرة، لا سيما في مجال السكتة الدماغية هو مفيد، كعلاج للسكتة الدماغية لتكون فعالة تعتمد على الوقت العلاجية قصيرة للغاية. هنا نقدم نموذجا إصابة ضخه، حيث كان المستحث السكتة الدماغية عن طريق انسداد الشريان الدماغي الأوسط، وأجرى التصوير باستخدام FDG مع PET، جنبا إلى جنب مع CT-راي X كمرجع التشريحية. تم إجراء قياسات منظم من FDG امتصاص داخل المناطق الفرعية في الدماغ ممكن عن طريق الخرائط الدقيقة لهذا الأطلس قالب أصوات العراق على الدماغ الفئران داخل PMOD برنامج تحليل الصور. تم جمع القيم Ratiometric FDG بتقسيم المناطق الفرعية الدماغ المقابل في نصفي الكرة الأرضية معارضة، والتي تسمح للقياس واضحة من الضرر في حين تطبيع للاختلافات في إشارة العالمية FDG PET بين الحيوانات المختلفة والوقت صoints. هذه القياسات تتسق مع تأثير المتوقع للبجلطة في الدماغ الفئران، مما يدل على الدوام، خسائر كبيرة في أنسجة المخ امتصاص الجلوكوز في مناطق معينة من نصف الكرة المماثل. هذه المنهجية لديها القدرة على زيادة قدرتنا على مقارنة مجموعات البيانات FDG PET الحيوانات تمر العديد من أنواع الصدمة الدماغ، بما في ذلك السكتة الدماغية الإقفارية. عن طريق توحيد وحدات التخزين للقياسها كميا عبر نصفي الكرة الأرضية من الدماغ وعبر الحيوانات متعددة، وهذه الطريقة يولد قياسات متناسقة لانخفاض امتصاص الجلوكوز الأنسجة. لاحظ أن استشفاف PET أخرى مع امتصاص الدماغ، مثل 11 C-raclopride لمستقبلات D2، ويمكن استخدامها مع هذا البروتوكول وكذلك 21. وأخيرا، نحن تصف طريقة لتصور للسكتة الموضعية في الدماغ الفئران داخل الهيكل العظمي مع دقة عالية التشريحية في ثلاثة أبعاد. منذ انخفاض الفسيولوجية والوظيفية الناجمة عن السكتة الدماغية يمكن أن تكون عابرة أو دائمة، وهذه الطريقة غير الغازية التصويريسمح للباحثين لتقييم تلف في الدماغ في نفس الحيوان على مدى فترة من الزمن. وهو يوفر وسيلة ليسجل عصبيا الفئران، وكذلك تقييم العجز العصبية قصيرة الأجل وطويلة الأجل في نفس الحيوان. وظيفة قالب من البرنامج PMOD تسمح الباحثون مع مقدار معين من الدقة لرسم خريطة منطقة الإصابة وربما ترتبط إلى عقابيل عصبية والأنماط السلوكية.
لتقدير دقيق للأضرار السكتة الدماغية عن طريق الدماغ دون الإقليمية، فإن الخطوة الأساسية هي محاذاة البيانات PET مع أطلس دماغ الفئران داخل PMOD. تناقضات في محاذاة يمكن أن يؤدي إلى تقدير صحيح من المناطق الفرعية الدماغ يتأثر نقص التروية. كما هو موضح في الخطوة بروتوكول 4.1.7، فمن الممكن استخدام غدد هاردر كما المعالم لمواءمة الأطلس المخ مع البيانات PET التجريبية. آثار حجم الجزئي (PVE) هي مصدر قلق خلال هذا النوع من التحليل، وسوف تحد من حل شامل للبنية الدماغ التيقد يمكن تصوير. قد تحدث امتداد إشارة بين أحجام المجاورة، أو أصوات العراق نفسها قد تكون صغيرة جدا في ما يتعلق بالقرار الصك، وبالتالي تقليل دقة كمية من الأسلوب 22. وقد تم تجهيز نظام البيرة PET المستخدمة في هذه الدراسات مع ثلاث حلقات كاشف وغلة قرار من 1.1 ملم، والتي تطورت من المقابلة نظام حلقة واحدة التي حققت 1.5 مم 23. Buvat وزملاء العمل نلاحظ أن PVE سوف تؤثر على القياسات من الأورام التي يبلغ قطرها أقل من 2-3x القرار النظام في كامل نصف العرض كحد أقصى (FWHM)، التي من شأنها أن تتوافق مع حجم كروية من 5،6 حتي 18،9 مم 3 ل3- حلقة البيرة. Casteels وآخرون. وذكر مؤخرا أن بأحجام تزيد على 8 مم 3 سوف يكون الحد الأدنى من الآثار حجم جزئية لالماسحات الضوئية PET ما قبل السريرية الحديثة لقرار في مجموعة من 1،1-1،3 مم 24. الأطلس شيفر وقد شيدت بعناية مع هذه المعايير في الاعتبار، وتستخدم 58 VOIs، منها 13 سقوط تحت عتبة 8 مم 3. وتشمل هذه VOIs عن الحق ونصفي الكرة الأرضية تبقى من قشرة الفص الجبهي وسطي (6.3 ملم 3، R / L)، وتقييم الأداء واللحاء (7.6 ملم 3، R / L)، وأكيمة متفوقة (7.1 ملم 3، R / L) وVTA (5.5 ملم 3، R / L)، أكيمة أدنى (5.7 ملم 3، R / L)، الغدة النخامية (5.9 ملم 3)، وتدفق الدم CB (5.1 ملم 3). وبالإضافة إلى ذلك، سوف القياسات من القشرة الأمامية (1.4 ملم 3 R / L) تكون الأكثر عرضة للPVE نظرا لصغر حجمها.
دراسات في الحيوانات الكبيرة مثل الفئران، والتي لديها زيادة مماثلة في حجم التشريح، وسوف يكون لها عدد أكبر من المناطق الفرعية الدماغ التي قد يكون كميا موثوق بالمقارنة مع الفئران. ومع ذلك، وهذه الأساليب هي التي تنطبق على تصوير الدماغ لدى الفئران، والتي من أطلس الدماغ الخاصة متاحة في PMOD التي تتألف من 18 الأقاليم الفرعية التي هيالحجم لتقليل PVE. وعلاوة على ذلك، وذلك باستخدام PET لتحديد مناطق الدماغ أصغر حتى من تم وصفها في هذه الدراسة قد تتطلب استخدام منهجية بديلة. الطريقة الموصوفة هنا يمكن تقدير صارما وفعالة من تلف الأنسجة في الدماغ مع مرور الوقت، مجزأة من الدماغ دون الإقليمية، في الفئران الحية. ويتجلى إصابة بسبب نقص التروية هنا كمثال على ذلك، ولكن المنهجية المقدمة لتقدير التغيرات في نشاط الدماغ يمكن تطبيقها على أي حالة أخرى تؤثر على الدماغ الفئران.
في الختام، يمكن الحصول على بيانات FDG-PET-CT من الحيوانات الصغيرة بطريقة غير الغازية واقتصادية، ويمكن استخدامها مريح للتصوير الحيوانات الصغيرة بطريقة الكمي. الاستفادة من أداة قالب شيفر من برنامج PMOD، والمناطق الدماغية من الدماغ يمكن أن يرسم وقياس البيانات PET. هذا هو أداة قوية لدراسة المستقبلية لإعادة تنظيم الدماغ، والإصلاح، وتكوين الخلايا العصبية بعد نقص التروية الدماغية التي من شأنها تعزيز الإنمائية للالإقليم الشمالي من العصبية العلاجات لمرضى السكتة الدماغية المعوقين. وهذا التصور أيضا أن تكون مفيدة بشكل خاص في تقييم حالات أخرى من الصدمة الدماغ، حيث تلف الأنسجة يمكن محاذاة من طرائق التصوير منفصلة.
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 |