Mapping microstructural dynamics in a mouse stroke model using advanced diffusion MRI
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| Data de Publicação: | 2020 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/47972 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020 |
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Mapping microstructural dynamics in a mouse stroke model using advanced diffusion MRIRessonância magnética por difusãoAcidente vascular cerebralAVCModelo animalTeses de mestrado - 2020Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O acidente vascular cerebral (AVC) corresponde a uma das principais causas de morte e invalidez a nível mundial, sendo o AVC isquémico o mais predominante, perfazendo mais de 80% dos casos. Este traduz-se no bloqueio de um ou mais vasos sanguíneos devido à formação de coágulos, comprometendo a oxigenação no local e o fornecimento de nutrientes como consequência da redução do fluxo sanguíneo. O único tratamento aceite para o AVC baseia-se na administração de agentes trombolíticos. Porém, a sua aplicabilidade é muito reduzida pois o intervalo de tempo exigido para a sua atuação é demasiado curto (menos de 4 horas desde a última vez em que o sujeito se apresentou assintomático). De momento, o desenvolvimento de técnicas inovadoras encontra-se dependente de um conhecimento mais aprofundado do tecido envolvente no decorrer do acidente isquémico. Posto tal, as técnicas de neuroimagiologia de cariz não invasivo, como a imagem por ressonância magnética (IRM), apresentam um papel crucial na investigação nesta área. A importância da ressonância magnética de difusão (dMRI, do inglês diffusion MRI) tem vindo a ser cada vez mais favorecida, especialmente na deteção do enfarte e no estudo do microambiente na zona respetiva. Contudo, as métricas convencionais de dMRI apenas disponibilizam informação relativa, no máximo, a um sumatório de efeitos não Gaussianos da difusão da água nos tecidos, o que a torna numa técnica consideravelmente inespecífica. Esta falta de especificidade pode então refletir-se numa incorreta caraterização do núcleo da lesão, de tecido recuperável e da resposta ao tratamento, no sentido em que os mecanismos subjacentes ao contraste de dMRI obtido são desconhecidos. No âmbito deste trabalho, de forma a aumentar a sensibilidade e especificidade da dMRI na informação obtida em contexto de AVC isquémico, a metodologia de imagem por contraste do tensor de correlação (CTI, do inglês Correlation Tensor Imaging), desenvolvida no nosso laboratório, foi aplicada num modelo de AVC isquémico em murganho (Mus musculus). A CTI permite a obtenção de informações mais específicas acerca de efeitos de difusão provenientes das fontes de curtose (relativos a anisotropia, dispersão na orientação, variância na difusão nos tecidos e propriedades não Gaussianas). Esta técnica baseia-se na expansão cumulativa do sinal adquirido em sequências avançadas de codificação de difusão dupla (DDE, do inglês Double Diffusion Encoding), em que ambas as codificações podem ser aplicadas em direções e magnitudes independentes (caraterizadas por vetores independentes q1 e q2). Todos os procedimentos em animais foram previamente aprovados pelas autoridades nacionais e internacionais competentes, e foram realizados de acordo com a Diretiva EU 2010/63. Murganhos macho C57BL/6J (N = 12; 26,4 ± 6,5 g) com 11 semanas foram utilizados. O modelo fototrombótico de Rose Bengal foi usado de forma a induzir um enfarte focalizado na região do cortéx de barril com uma solução de um corante fotossensível (15 mg/ml). Em animais do grupo experimental (N = 5), a solução foi administrada de forma intravenosa (10 μl/g peso do animal) e a zona cortical de interesse foi irradiada com uma fonte de luz fria durante 15 minutos. Os animais do grupo de controlo (N = 5) foram submetidos a procedimentos idênticos, à exceção da irradiação responsável pelo desencadeamento da lesão, mantendo o tempo de espera suposto. Os cérebros do grupo de AVC e do grupo de controlo foram perfundidos 3 h após o fim do período com ou sem iluminação e utilizados para aquisições ex vivo. Além disso, dois animais foram usados para examinação in vivo: um submetido à indução do AVC para validação com os resultados ex vivo, e outro animal saudável foi usado para efeitos corroborativos com estudos anteriores. Os cérebros foram examinados no scanner Aeon da Bruker de 16.4 T. As imagens por difusão ex vivo foram adquiridas com sequências de DDE com base em EPI (do inglês Echo Planar Imaging) escritas in house. Usou-se um protocolo com um total de 5 combinações q1-q2 de magnitudes diferentes (1498,0 – 0; 1059,2 – 1059,2; 1059,2 – 0; 749,0 – 749,0 e 749,0 - 0 mT/m), associando cada combinação a uma aquisição. Para combinações em que as magnitudes eram iguais entre vetores, foram usadas 135 direções paralelas e perpendiculares, resultando em 7 aquisições com valor b total de 750, 1500 ou 3000 mm/s2 . Os restantes parâmetros foram: TR/TE = 3000/49 ms, FOV = 11 × 11 mm2 , matriz = 78 × 78, resolução de voxel no plano de 141 × 141 μm2 , 25 fatias coronais com espessura de 0,5 mm, δ/Δ/τm = 1,5/10/10 ms e 2 segmentos. 20 imagens foram adquiridas sem gradientes de difusão aplicados (i.e., b = 0 mm/s2 ). Cada examinação durou aproximadamente 14 h na totalidade. No caso das aquisições in vivo, os animais foram sedados (isoflurano 2,5%) e examinados no scanner Biospec da Bruker de 9.4 T. As imagens por difusão foram adquiridas com um protocolo otimizado em comparação com o utilizado nas sequências ex vivo, diferindo nos seguintes parâmetros: as combinações q1-q2 de magnitude foram de 518,79 – 0; 366,84 – 366,84; 366,84 – 0; 259,4 – 259,4 e 259,4 - 0 mT/m. As combinações de direções foram idênticas às utilizadas nas aquisições ex vivo, resultando também em 7 aquisições com valor b total de 625, 1250 ou 1500 mm/s2 , TR/TE = 2800/44,5 ms, FOV = 12 × 12 mm2 , matriz = 78 × 78, resolução de voxel no plano de 181 × 181 μm2 , 5 fatias coronais com espessura de 0,85 mm, δ/Δ/τm = 4/10/10 ms e 1 segmento. Cada examinação durou aproximadamente 1 h e 15 min. O processamento dos dados englobou a correção do sinal ao nível do ruído, alinhamento dos dados e correção ao nível de Gibbs ringing. As métricas de difusão convencionais, tais como a difusão média, a anisotropia fracional, a difusão radial e axial (MD, FA, RD e AD, respetivamente) foram extraídas pelo tensor de difusão (D). No âmbito das fontes resolvidas pela CTI, a fonte de curtose excedente total (KT) foi obtida a partir de D e do tensor de curtose (W), as curtoses anisotrópica e isotrópica ( e ), ditas fontes intercompartimentais, foram extraídas a partir do tensor D e do tensor de correlação do deslocamento Z (de quarta ordem na expansão cumulativa), e a fonte de curtose intracompartimental () foi extraída a partir da subtração das fontes intercompartimentais à fonte KT. De forma a analisar os mapas obtidos para as métricas de curtose 3 h após enfarte ao nível de substância branca e cinzenta, regiões de interesse foram definidas (com base nos mapas de MD e FA) no hemisfério ipsilateral ou ipsilesional (relativo à lesão), e no hemisfério contralateral (não afetado), dos animais que sofreram o AVC. Regiões de interesse no grupo de controlo foram também definidas no hemisfério ipsilateral. Após associar os dados obtidos de cada hemisfério a diferentes subgrupos, foram realizadas comparações entre subgrupos para as diferentes métricas de curtose e uma análise ANOVA para testar diferenças significativas entre subgrupos, permitindo assim uma análise de especificidade de cada métrica aos efeitos do AVC. Foi ainda realizada uma análise da sensibilidade de cada métrica perante a lesão no hemisfério ipsilesional para todos os animais do grupo de AVC através da quantificação de voxeis sensíveis à lesão em cada animal, quer ao nível da lesão total, quer ao nível das substâncias branca e cinzenta. Uma breve análise histológica foi produzida para uma comparação qualitativa com os mapas das diferentes fontes de curtose e associação com degeneração e perda celular. Os resultados indicaram diferenças significativas (p < 0,05) para as métricas KT e entre o hemisfério ipsilateral do grupo de AVC e o hemisfério contralateral do mesmo grupo, bem como entre o hemisfério ipsilaterial do grupo de AVC e o hemisfério ipsilateral do grupo de controlo (em substância substância cinzenta e substância branca). Porém, a métrica de foi a que mais se destacou, visto ter mostrado sensibilidade para o AVC na substância cinzenta perante outras métricas. Os mapas de curtose in vivo mostraram-se consistentes com os mapas ex vivo. Em comparação com estudos anteriores, os resultados obtidos nas métricas de difusão (MD, FA, RD e AD) demonstraram congruência com a literatura, tendo os valores de KT seguido a tendência dos valores de curtose média (MK) obtidos noutros estudos de AVC em murganho. A menor sensibilidade para o AVC em KT, quando comparada com , por exemplo, sugere que certos efeitos de curtose se poderão anular, informação essa anteriormente desconhecida. Os nossos resultados, além de favorecerem maior sensibilidade comparativamente às métricas convencionais em contexto de AVC, acentuam também a especificidade de cada fonte de curtose perante o tecido isquémico, permitindo uma possível relação com mecanismos patofisiológicos a ocorrer na fase aguda-subaguda do AVC, tais como fenómenos citotóxicos e vasogénicos. Ao resolver as fontes de curtose em tecido isquémico, foi-nos possibilitada uma maior compreensão dos mecanismos microscópicos subjacentes, que, num formato mais sensível e específico, propicia uma caraterização de AVC inovadora e uma maior eficácia no tratamento associado.Stroke is a leading cause of long-term disability and death worldwide, with ischaemic infarct accounting for approximately 80% of all cases. Currently, novel treatments depend on a deeper understanding of the local tissue milieu following ischemia. Therefore, non-invasive neuroimaging plays a crucial role in stroke research. Diffusion MRI (dMRI) is one of the most reliable imaging techniques, mainly for the early detection of ischemic stroke via detection of microstructural changes. However, dMRI is critically unspecific, thereby hampering the conclusive characterization of infarct core, salvageable tissue and response to treatment. To overcome this drawback, Correlation Tensor Imaging (CTI) – a ground-breaking approach enhancing sensitivity and specificity towards tissue microstructure via the resolution of non-Gaussian diffusion sources – was applied for the first time towards the characterization of ischemic tissue (ex vivo and in vivo) and assessment of the mechanisms underlying dMRI contrasts in a mouse stroke model at an early stage post ischemic insult. In this study, a photothrombotic stroke model was used to induce a focal infarct in the barrel cortex and dMRI ex vivo datasets were acquired with CTI pulse sequences written in house. For corroboration of results, in vivo datasets were additionally acquired. The stroke model reproducibly induced well-delimited infarction cores in the targeted region in all animals. Our results suggest that CTI is capable of resolving microscopic features of ischemic tissue in-vivo, which until now were obfuscated or conflated in conventional dMRI measurements. Particularly, intra-compartmental kurtosis (), one of the resolved sources, shows higher sensitivity and specificity towards ischemic alterations when compared to other sources of kurtosis. These are critical first steps towards resolving the contributions of cytotoxic and vasogenic edema sources as well as potential for revealing salvageable tissue or ongoing excitotoxicity.Shemesh, NoamAndrade, Alexandre da Rocha Freire de,1971-Repositório da Universidade de LisboaAlves, Rita Beatriz Ruivo2021-05-18T14:33:33Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/47972TID:202607178enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:51:09Zoai:repositorio.ul.pt:10451/47972Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:59:55.135410Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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