Kleintier-MRT Bildgebung. Jürgen Baudewig Abteilung Funktionelle Bildgebung Deutsches Primatenzentrum Leibniz-Institut für Primatenforschung

Transkript

1 Kleintier-MRT Bildgebung Jürgen Baudewig Abteilung Funktionelle Bildgebung Deutsches Primatenzentrum Leibniz-Institut für Primatenforschung

2 Deutsches Primatenzentrum Luftbild Unabhängiges Forschungsinstitut Mitglied der Leibniz Gemeinschaft 2

3 Primaten am DPZ Altweltaffen Rhesusaffen Langschwanzmakaken Mantelpaviane Neuweltaffen Weißbüschelaffen Lemuren Kattas Schwarzweiße Vari Graue Mausmakis 3

4 DPZ- Forschungsschwerpunkte 4 Nicht-Humane Primaten als Modellorganismus und Forschungsobjekte Biologische Grundlagenforschung sowie biomedizinische Fragen über Körperfunktionen, Evolution und Verhalten Untersuchung und Bewahrung von Primaten Populationen in der Wildnis Verbesserung der Bedingungen in der Tierhaltung

5 Funktionelle Bildgebung am DPZ Einweihung des MRT-Gebäude im April T Prisma 9.4T Biospec

6 Nagetiere Nicht-Humane Primaten Menschen Mus musculus Callitrix jacchus Saimiri sciureus Homo sapiens 6

7 Tierexperimentelle in vivo Bildgebung Forschung auf dem Weg vom Molekül zum Menschen - Analyse des intakten komplexen Organismus - Brücke zwischen molekularer Grundlagenforschung und klinischer Anwendung Typische spezifische Fragestellungen - Analyse allgemeiner Konsequenzen lokaler Veränderungen - Information über die Funktion - Verlaufsuntersuchungen Methodische Weiterentwicklung für die medizinische Diagnostik - Tiermodele menschlicher Erkrankungen - Vergleich, Validierung mittels in vitro Verfahren 7

8 In vivo Bildgebung und Tierschutz Das 3R-Prinzip: Replace, Reduce, Refine - Reduction: Wiederholte Messungen am selben Tier Intra-individualer Vergleich möglich Reduzierung der Tierzahl - Refinement: So non-invasive wie möglich Zusätzliche Informationen (z.b. Refinement der Abbruchkriterien in einem Tierexperiment) Beitrag zur Tiergesundheit Erhöhung der Qualität der wissenschaftlichen Ergebnisse 8

9 9 Besonderheiten und Herausforderungen der MRT bei Versuchstieren

10 Herausforderung I: Größenverhältnisse 10

11 Size matters Mensch Maus 11

12 Räumliche Auflösung Mensch Maus 0.1 x 0.1 x 0.1 mm 3 1 x 1 x 1 mm x 2 x 6 mm x x 0.3 mm 3

13 Messzeit Signal to Noise Ratio ~ voxel Volume = dim x * dim y * dim z Signal to Noise Ratio ~ Anzahl der Mittelungen Beispiel: Räumliche Auflösung Mensch: 1.0 mm x 1.0 mm x 1.0 mm Räumliche Auflösung Maus: 0.1 mm x 0.1 mm x 0.1 mm Reduzierung des SNR: 1/(10x10x10) = 1/1000 Verlängerung der Messzeit: x s Messzeit beim Menschen -> mehr als 11 Tage bei der Maus 13

14 Angepasste Hardware 3T Siemens Prisma 9.4T Bruker Bio 14

15 Kleintier MRT Ultra-Hoch-Feld System - Bruker BioSpin 94/30 USR - 9.4T / 400 MHz - Röhrendurchmesser 30 cm Gradientensysteme - B-GA 20S Innendurchmesser 20 cm mt/m - B-GA 12S Innendurchmesser 12 cm mt/m An die Größenverhältnisse angepasste RF-Spulen 15

16 Entwicklung der räumlichen Auflösung MRT vom Gehirn der Maus

17 Räumliche Auflösung 30 µm x 30 µm 100 µm x 100 µm 17

18 Beispiel: Laminierung des Cortex Cerebri 18

19 Schichten der adulten Großhirnrinde Cell staining Giemsa Myelin staning Gallyas 19 Courtesy A. Stoykova

20 Spatial Resolution 80 x 80 µm 2 53 x 53 µm 2 40 x 40 µm 2 30 x 30 µm 2 Slice thickness: 300 µm 20

21 Effective Echo 9.4T 36 ms 51 ms 65 ms 82 ms x 30 µm 2

22 Herkunft des Kontrastes im Kortex Der MRT Kontrast im Kortex wird hauptsächlich durch den Myelin- und Eisengehalt bestimmt (beim Menschen) 22 Fukunaga et al, PNAS, , 2010

23 T2w versus T2w* T2-weighted T2*-weighted 23 R2* Boretius et al, ISMRM 2012

24 Bildgebung kortikaler Schichten bei Mäusen in vivo Vermeidung von Bewegung durch rigide Lagerung Ausreichend gute räumliche Auflösung ( 40 µm) Ausreichend starke T2-Wichtung (TE mindestens 65 ms bei 9.4 T) - Kontrast im wesentlichen durch die Zyto-Architektur bestimmt (nicht Myelin) - Mögliche Falschinterpretationen bei Übertragung der Ergebnisse von der Maus auf den Menschen - Laufende Studien: Vergleich zwischen verschiedenen Spezies 24

25 Herausforderung II: Narkose

26 Anästhesie und Lagerung 26

27 Funktionelle Bildgebung Funktionelle Bildgebung = fmrt = Darstellung von Hirnfunktion Grundidee für fmrt Experimente: - aktive Hirnregionen benötigen mehr Energie - der erhöhte Energiebedarf führt zur lokalen Veränderung der Durchblutung und aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften von Desoxyhämoglobin zu einem Kontrast in T2* gewichteten Bildern BOLD Kontrast wurde 1990 von Ogawa im Tiermodell (Ratte) beschrieben M.R.W.HH at German Wikipedia (fmrt) Wegen der leichten Anwendbarkeit und des nicht-invasiven Charakter des Verfahrens wurde die fmrt am Menschen schnell zu einem wichtigem Instrument in den Neurowissenschaften 27

28 Warum dann fmrt bei Tieren? Translationale präklinische Studien - Z.B. Plastizität nach Verletzungen Untersuchungen des BOLD Mechanismus und der neurovaskulären Kopplung - Kombination der fmrt mit anderen Techniken Elektrophysiologie Optische Bildgebung (Blutfluss und Volumen) Invasive Interventionen sind möglich - Experimentelle operative Läsionen, Implantate, Medikamente - Gentechnisch veränderte Tiere Knockout-Mäuse als Modellsysteme für Erkrankungen Optogenetik+fMRT (opto-fmri) 28

29 Besonderheiten der fmrt mit Tieren Sensitivität der fmrt für Bewegungsartefakte + hohe räumliche Auflösung -> effektive Vermeidung von (Kopf-)Bewegungen - Wache Tiere: Fixierung der Tiere Paralysieren mit einem Muskelrelaxans Training / Gewöhnung an den Scanner - Narkotisierte Tiere: Anästhetika beeinflussen neuronale Aktivität In der Regel verändern Anästhetika Blutdruck, Herz Rate etc. und somit das BOLD Signal Nur sehr wenige (passive) fmrt Task sind durchführbar: - elektrische Stimulation der Pfoten - taktile Stimulation der Schnurrhaare 29

30 Die optimale Narkose Stressfrei, reversible, nicht giftig Ausreichende tiefe Anästhesie für viel Stunden Erhalten der neuronalen Antwort Erhalten der neurovaskulären Kopplung - Seit ca. 10 Jahren gilt Medetomidin als beste Wahl für fmrt Experimente mit narkotisierten Nagern - Eignung für lang anhaltende Experimente? 30

31 Medetomidin und fmrt: Workflow bis zu 6 Stunden Bildgebung Isoflurane 31

32 Medetomidin und fmrt: stabile Lokalisation 32 N. Sirmpilatze, unpublished data

33 Medetomidin und fmrt: stabile BOLD Amplituden 33 N. Sirmpilatze, unpublished data

34 Anästhesie Multiple Effekte auf: Energiestoffwechsel Enzymaktivität Neurotransmitterfreisetzung Mechanismus der Wirkung von allgemeinen Narkotika bis heute nicht vollständig verstanden 34

35 Lokalisierte Protonen MR-Spektroskopie 35

36 Isofluran und Laktat Lactate / mm Isoflurane / % 36

37 Isofluran und der Stoffwechsel im Gehirn 37

38 Herausforderung III: Bewegung 38

39 Die Bewegung sehen: Zeitliche Auflösung Vermeidung von Bewegungsartfakten Atem-Anhalte-Techniken Gaiting Techniken Echtzeit-Bildgebung Mensch Makaken Maus Atemfrequenz 15/min 30/min 150/min Herzfrequenz 65/min 130/min 600/min 39

40 Echtzeit-Bildgebung an der Maus Organfunktionen verstehen: Lungen, Nieren, Herz Maus, Lunge Auflösung: 243 x 243 µm ms per Bild Maus, Niere, Gd-DTPA i.v. Auflösung: 227 x 227 µm 2, 8 Schichten in 700 ms Maus, Herz Auflösung: 300 x 300 µm 2 TE/TR = 1.86/2.7 ms 40 ms per Bild 40 A. Moussavi, unpublished data

41 Messungen zeitlich richtig einordnen: Retrospektive Zuordnung der Datenpunkte Signal / Phase Phase Signal Zeit / ms 41 A. Moussavi, unpublished data

42 Herausforderungen der MRT bei Versuchstieren Herausforderung I: Größenverhältnisse - hohe räumliche Auflösung Herausforderung II: Narkose - Einfluss von Narkose, Lagerung, Stress Herausforderung III: Bewegung - Darstellung von Herz- und Atembewegungen 42

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 43