Mapping microstructural dynamics in a mouse stroke model using advanced diffusion MRI

Tese 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

Preclinical MRI of the Kidney

This Open Access volume provides readers with an open access protocol collection and wide-ranging recommendations for preclinical renal MRI used in translational research. The chapters in this book are interdisciplinary in nature and bridge the gaps between physics, physiology, and medicine. They are designed to enhance training in renal MRI sciences and improve the reproducibility of renal imaging research. Chapters provide guidance for exploring, using and developing small animal renal MRI in your laboratory as a unique tool for advanced in vivo phenotyping, diagnostic imaging, and research into potential new therapies. Written in the highly successful Methods in Molecular Biology series format, chapters include introductions to their respective topics, lists of the necessary materials and reagents, step-by-step, readily reproducible laboratory protocols, and tips on troubleshooting and avoiding known pitfalls. Cutting-edge and thorough, Preclinical MRI of the Kidney: Methods and Protocols is a valuable resource and will be of importance to anyone interested in the preclinical aspect of renal and cardiorenal diseases in the fields of physiology, nephrology, radiology, and cardiology. This publication is based upon work from COST Action PARENCHIMA, supported by European Cooperation in Science and Technology (COST). COST (www.cost.eu) is a funding agency for research and innovation networks. COST Actions help connect research initiatives across Europe and enable scientists to grow their ideas by sharing them with their peers. This boosts their research, career and innovation. PARENCHIMA (renalmri.org) is a community-driven Action in the COST program of the European Union, which unites more than 200 experts in renal MRI from 30 countries with the aim to improve the reproducibility and standardization of renal MRI biomarkers

Case series of breast fillers and how things may go wrong: radiology point of view

INTRODUCTION: Breast augmentation is a procedure opted by women to overcome sagging breast due to breastfeeding or aging as well as small breast size. Recent years have shown the emergence of a variety of injectable materials on market as breast fillers. These injectable breast fillers have swiftly gained popularity among women, considering the minimal invasiveness of the procedure, nullifying the need for terrifying surgery. Little do they know that the procedure may pose detrimental complications, while visualization of breast parenchyma infiltrated by these fillers is also deemed substandard; posing diagnostic challenges. We present a case series of three patients with prior history of hyaluronic acid and collagen breast injections. REPORT: The first patient is a 37-year-old lady who presented to casualty with worsening shortness of breath, non-productive cough, central chest pain; associated with fever and chills for 2-weeks duration. The second patient is a 34-year-old lady who complained of cough, fever and haemoptysis; associated with shortness of breath for 1-week duration. CT in these cases revealed non thrombotic wedge-shaped peripheral air-space densities. The third patient is a 37‐year‐old female with right breast pain, swelling and redness for 2- weeks duration. Previous collagen breast injection performed 1 year ago had impeded sonographic visualization of the breast parenchyma. MRI breasts showed multiple non- enhancing round and oval shaped lesions exhibiting fat intensity. CONCLUSION: Radiologists should be familiar with the potential risks and hazards as well as limitations of imaging posed by breast fillers such that MRI is required as problem-solving tool

Analytical validation of innovative magneto-inertial outcomes: a controlled environment study.

peer reviewe

Psr1p interacts with SUN/sad1p and EB1/mal3p to establish the bipolar spindle

Regular Abstracts - Sunday Poster Presentations: no. 382During mitosis, interpolar microtubules from two spindle pole bodies (SPBs) interdigitate to create an antiparallel microtubule array for accommodating numerous regulatory proteins. Among these proteins, the kinesin-5 cut7p/Eg5 is the key player responsible for sliding apart antiparallel microtubules and thus helps in establishing the bipolar spindle. At the onset of mitosis, two SPBs are adjacent to one another with most microtubules running nearly parallel toward the nuclear envelope, creating an unfavorable microtubule configuration for the kinesin-5 kinesins. Therefore, how the cell organizes the antiparallel microtubule array in the first place at mitotic onset remains enigmatic. Here, we show that a novel protein psrp1p localizes to the SPB and plays a key role in organizing the antiparallel microtubule array. The absence of psr1+ leads to a transient monopolar spindle and massive chromosome loss. Further functional characterization demonstrates that psr1p is recruited to the SPB through interaction with the conserved SUN protein sad1p and that psr1p physically interacts with the conserved microtubule plus tip protein mal3p/EB1. These results suggest a model that psr1p serves as a linking protein between sad1p/SUN and mal3p/EB1 to allow microtubule plus ends to be coupled to the SPBs for organization of an antiparallel microtubule array. Thus, we conclude that psr1p is involved in organizing the antiparallel microtubule array in the first place at mitosis onset by interaction with SUN/sad1p and EB1/mal3p, thereby establishing the bipolar spindle.postprin

Ohio State University Bulletin

Classes available for students to enroll in during the 1989-1990 academic year for The Ohio State University