Kleintier-MRT Bildgebung Jürgen Baudewig Abteilung Funktionelle Bildgebung Deutsches Primatenzentrum Leibniz-Institut für Primatenforschung
Deutsches Primatenzentrum Luftbild Unabhängiges Forschungsinstitut Mitglied der Leibniz Gemeinschaft 2
Primaten am DPZ Altweltaffen Rhesusaffen Langschwanzmakaken Mantelpaviane Neuweltaffen Weißbüschelaffen Lemuren Kattas Schwarzweiße Vari Graue Mausmakis 3
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
Funktionelle Bildgebung am DPZ Einweihung des MRT-Gebäude im April 2015 5 3T Prisma 9.4T Biospec
Nagetiere Nicht-Humane Primaten Menschen Mus musculus Callitrix jacchus Saimiri sciureus Homo sapiens 6
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
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 Besonderheiten und Herausforderungen der MRT bei Versuchstieren
Herausforderung I: Größenverhältnisse 10
Size matters Mensch Maus 11
Räumliche Auflösung Mensch Maus 0.1 x 0.1 x 0.1 mm 3 1 x 1 x 1 mm 3 12 2 x 2 x 6 mm 3 0.175 x 0.175 x 0.3 mm 3
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 1000 2 1 s Messzeit beim Menschen -> mehr als 11 Tage bei der Maus 13
Angepasste Hardware 3T Siemens Prisma 9.4T Bruker Bio 14
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 - 200 mt/m - B-GA 12S Innendurchmesser 12 cm - 600 mt/m An die Größenverhältnisse angepasste RF-Spulen 15
Entwicklung der räumlichen Auflösung MRT vom Gehirn der Maus 2001 2006 2009 16
Räumliche Auflösung 30 µm x 30 µm 100 µm x 100 µm 17
Beispiel: Laminierung des Cortex Cerebri 18
Schichten der adulten Großhirnrinde Cell staining Giemsa Myelin staning Gallyas 19 Courtesy A. Stoykova
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
Effective Echo Time @ 9.4T 36 ms 51 ms 65 ms 82 ms 21 30 x 30 µm 2
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, 3834-3839, 2010
T2w versus T2w* T2-weighted T2*-weighted 23 R2* Boretius et al, ISMRM 2012
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
Herausforderung II: Narkose
Anästhesie und Lagerung 26
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
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
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
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
Medetomidin und fmrt: Workflow bis zu 6 Stunden Bildgebung Isoflurane 31
Medetomidin und fmrt: stabile Lokalisation 32 N. Sirmpilatze, unpublished data
Medetomidin und fmrt: stabile BOLD Amplituden 33 N. Sirmpilatze, unpublished data
Anästhesie Multiple Effekte auf: Energiestoffwechsel Enzymaktivität Neurotransmitterfreisetzung Mechanismus der Wirkung von allgemeinen Narkotika bis heute nicht vollständig verstanden 34
Lokalisierte Protonen MR-Spektroskopie 35
Isofluran und Laktat Lactate / mm Isoflurane / % 36
Isofluran und der Stoffwechsel im Gehirn 37
Herausforderung III: Bewegung 38
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
Echtzeit-Bildgebung an der Maus Organfunktionen verstehen: Lungen, Nieren, Herz Maus, Lunge Auflösung: 243 x 243 µm 2 100 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
Messungen zeitlich richtig einordnen: Retrospektive Zuordnung der Datenpunkte Signal / Phase Phase Signal Zeit / ms 41 A. Moussavi, unpublished data
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 43