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En este trabajo, describimos un protocolo para la microscopía de localización por ultrasonido (ULM), que logra una resolución espacial de 12,5 μm para obtener imágenes de la microvasculatura cerebral en ratas. Permite una visualización detallada de la dirección y la velocidad del flujo sanguíneo, lo que ofrece una poderosa herramienta para avanzar en los estudios de la circulación cerebral y los trastornos vasculares.
La microvasculatura cerebral forma una compleja red de vasos esenciales para mantener la función cerebral. Enfermedades como el accidente cerebrovascular, la enfermedad de Alzheimer, los gliomas y la demencia vascular pueden alterar profundamente el sistema microvascular. Desafortunadamente, las modalidades actuales de imágenes médicas solo ofrecen observaciones indirectas a esta escala. Inspirada en la microscopía óptica, la microscopía de localización por ultrasonido (ULM) supera el compromiso clásico entre la profundidad de penetración y la resolución espacial. Mediante la localización y el seguimiento de microburbujas inyectadas individuales (MB) con precisión de sublongitud de onda, se pueden generar mapas vasculares y de velocidad a escala micrométrica. Aquí, presentamos un protocolo robusto para la obtención de imágenes de superresolución de la microvasculatura cerebral in vivo en ratas utilizando una plataforma de ultrasonido comercial. Este método logra una resolución espacial de 12,5 μm, reconstruyendo la arquitectura microvascular y proporcionando información detallada sobre la dirección y la velocidad del flujo sanguíneo, mejorando en gran medida nuestra comprensión de la microcirculación cerebral. El protocolo puede extenderse a modelos de enfermedad de ratas, ofreciendo una poderosa herramienta para el diagnóstico temprano y el tratamiento de enfermedades neurovasculares.
La microvasculatura cerebral, que comprende capilares, arteriolas y vénulas, es esencial para mantener la función cerebral al facilitar el suministro de nutrientes, el intercambio de oxígeno y la eliminación de desechos 1,2. Las interrupciones en esta red están implicadas en trastornos neurológicos como el accidente cerebrovascular3, la enfermedad de Alzheimer4, los gliomas5 y la demencia vascular6, lo que conduce a deficiencias en la fisiología cerebral. Los cambios microvasculares frecuentemente preceden al inicio de los síntomas clínicos, lo que los convierte en un objetivo crítico para las intervenciones diagnósticas y terapéuticas 7,8. Una comprensión integral de las alteraciones vasculares, tanto a nivel estructural como funcional, es clave para avanzar en la investigación y las estrategias de tratamiento.
Sin embargo, la obtención de imágenes de la microvasculatura cerebral es particularmente desafiante debido al pequeño tamaño y la ubicación parcialmente profunda dentro del cerebro. Las modalidades de imagen convencionales como la resonancia magnética (RM)9 y la tomografía computarizada (TC)10, aunque son adecuadas para capturar cambios vasculares a gran escala, ofrecen una resolución espacial (~100 μm) que es demasiado tosca para visualizar vasos pequeños. Los métodos ópticos, como la microscopía de dos fotones11 , proporcionan una excelente resolución espacial (hasta 1 μm) para obtener imágenes de los capilares individuales, pero se ven obstaculizados por el limitado campo de visión y la profundidad de penetración (menos de 1 mm), lo que restringe su capacidad para obtener imágenes de regiones cerebrales profundas. Como técnica basada en ultrasonidos, el Doppler12, si bien ofrece una evaluación del flujo sanguíneo en tiempo real, sigue limitado por una resolución de 50-200 μm, insuficiente para el detalle microvascular. En general, en la actualidad, ningún método cumple con el doble requisito de alta resolución espacial y suficiente penetración cerebral necesaria para la obtención de imágenes de microvasculatura cerebral.
Inspirada en la microscopía óptica13,14, la microscopía ultrasónica de localización (ULM) permite la visualización de estructuras finas en la escala micrométrica mediante la localización de microburbujas inyectadas individuales (MB) y el seguimiento de su desplazamiento con una resolución de sublongitud de onda15. Evita el compromiso clásico entre penetración y resolución en las imágenes de ultrasonido16. Este estudio detalla un protocolo robusto para implementar ULM en un modelo de rata viva y, por lo tanto, permitir la obtención de imágenes de superresolución de la microvasculatura cerebral a través de la plataforma de ultrasonido disponible comercialmente. El protocolo no solo proporciona una reconstrucción completa de la estructura microvascular, sino que también proporciona información detallada sobre la dirección y la velocidad del flujo sanguíneo, lo que no es posible con las técnicas de imagen convencionales. Aunque el protocolo fue validado en ratas normales, es extensible a modelos de enfermedad de rata, ofreciendo posibilidades para estudios personalizados en diferentes condiciones patológicas.
Todos los experimentos con animales realizados en este trabajo están aprobados por el Comité de Ética de la Universidad de Fudan (Número de aprobación: 2022JS-004). El protocolo sigue estrictamente las pautas de cuidado animal de la Universidad de Fudan para garantizar el trato humanitario de los animales. Antes del inicio experimental, se debe permitir a las ratas un período de 1 semana para la aclimatación ambiental, durante el cual se les proporciona suficiente alimento y agua. El fotoperiodo se regula cuidadosamente de acuerdo con sus ritmos biológicos para garantizar el mantenimiento de los estados fisiológicos normales. Al final del experimento, la eutanasia se realiza utilizando una sobredosis de isoflurano inhalado.
NOTA: La configuración experimental se muestra en la Figura 1A-H.
1. Preparación animal para la obtención de imágenes ULM
2. Configuración antes de la recopilación de datos
3. Recopilación de datos (Tiempo ~ 20 min)
NOTA: Verasonics (sistema de ultrasonidos) proporciona los scripts originales de MATLAB para su uso con el sistema Vantage y no se ha modificado.
4. Procesamiento y análisis de datos (Tiempo ~ 8 h)
La Figura 1 ilustra la configuración detallada de las imágenes microvasculares ULM cerebrales in vivo en ratas, con cada elemento cuidadosamente diseñado para minimizar la variabilidad experimental y garantizar una adquisición de datos precisa para obtener resultados fiables de imágenes de superresolución.
La Figura 2A muestra la estructura reconstruida por ULM de la microvasculatura en el cerebro de rata, colocada a -1 mm del punto de Bregma, con una profundidad de imagen cercana a los 12 mm. El grosor efectivo del corte en el plano de imagen oscila entre 0,1 mm y 0,3 mm. Tanto los microvasos más superficiales como los más profundos son claramente visibles, y la calidad de la imagen no se deteriora con el aumento de la profundidad (Figura 2B). Al calcular el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la distribución de intensidad a lo largo de la línea discontinua en las regiones de interés (ROI), se pueden detectar vasos de varios diámetros, siendo el más pequeño de 13 μm (Figura 2C). Aplicando la correlación de anillos de Fourier (FRC) para la evaluación de la resolución, la resolución espacial de las imágenes de microvasculatura cerebral de rata se cuantifica en 12,5 μm (Figura 2D).
La información sobre el flujo sanguíneo es crucial para reflejar las respuestas fisiológicas y diagnosticar enfermedades. La Figura 3A ilustra las direcciones del flujo sanguíneo en un corte transversal del cerebro de rata, donde el azul indica flujo hacia la sonda y el rojo indica flujo lejos de la sonda. Con base en esto, se pueden diferenciar regiones específicas del cerebro, como las pequeñas arterias en la corteza que fluyen hacia abajo y las pequeñas venas que fluyen hacia arriba(Figura 3B). La Figura 3C muestra un mapa de velocidad del flujo sanguíneo cerebral codificado en diferentes colores, con vasos más grandes que muestran tasas de flujo notablemente más altas. La distribución de las velocidades oscila entre 1 y 80 mm/s, concentrándose predominantemente en el rango de 10-25 mm/s (Figura 3D), lo que representa el 81,57% de todo el rango de velocidades. Esta proporción se calcula determinando el número de puntos de datos de velocidad dentro del rango de 5-25 mm/s en relación con el número total de puntos de datos en la matriz de velocidades.
En la Figura 4 se presentan los resultados imagenológicos de un modelo de rata con glioblastoma utilizando el protocolo propuesto. Las células de glioblastoma C6 se implantaron en el cerebro de la rata. La figura 4A muestra la estructura microvascular en el cerebro de un modelo de rata con glioblastoma, con dilatación vascular anormal e irregularidades estructurales observadas alrededor del tumor. Los vasos de la región tumoral presentan una mayor tortuosidad en comparación con el área normal del lado izquierdo. La figura 4B proporciona información sobre la dirección del flujo sanguíneo, lo que permite comprender los patrones de flujo dentro de la región tumoral. La figura 4C muestra un mapa de velocidad del flujo sanguíneo, que revela la heterogeneidad en el flujo vascular dentro y alrededor del tumor.
Figura 1: Detalles de la configuración experimental para la obtención de imágenes ULM in vivo de la microvasculatura cerebral de rata. (A) Posición de las barras de las orejas utilizadas para estabilizar la cabeza de la rata. (B) El área afeitada en la cabeza de la rata preparada para el acceso quirúrgico. (C) Rata colocada en el instrumento estereotáxico con una máscara de respiración; Los hemostáticos se utilizan para retraer la piel en ambos lados. (D) Brocas esféricas (2,5 mm y 1 mm) montadas en la broca craneal para craneotomía. (E) Área de craneotomía marcada en relación con Bregma y Lambda. (F) Cerebro de rata expuesto después de una craneotomía. (G) Una aguja permanente insertada en la vena de la cola de la rata y conectada a una bomba de jeringa para microinyección. (H) Ejemplo de vasculatura cerebral de rata con sangrado excesivo; El recuadro blanco resalta una región que carece de reconstrucción vascular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Resultados experimentales de la reconstrucción ULM de la estructura microvascular del cerebro de rata in vivo. (A) Estructura microvascular del cerebro de rata a -1 mm del punto Bregma. (B) Imágenes ampliadas de dos regiones de interés (ROI) en ubicaciones menos profundas y más profundas en A, para resaltar la morfología de los vasos pequeños. (C) Distribución de la intensidad a lo largo de la línea discontinua en B, con valores numéricos que indican los diámetros de los vasos medidos utilizando el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM). (D) Evaluación del rendimiento de la reconstrucción de ULM utilizando la técnica del anillo de Fourier, se eligió el bit 1/2 para estandarizar la resolución sin sacrificar la calidad de la imagen, que define la frecuencia espacial más alta donde la correlación aún indica información estadísticamente significativa. El "○" marca el punto de intersección de la curva de correlación y el umbral de 1/2 bit, indicando el límite de resolución. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Resultados experimentales de la reconstrucción ULM de la dirección y velocidad del flujo sanguíneo microvascular en el cerebro de rata in vivo. (A) Dirección del flujo sanguíneo en el cerebro de la rata. El azul indica un flujo ascendente hacia la sonda y el rojo indica un flujo descendente que se aleja de la sonda. (B) Pequeñas arterias y venas en las regiones corticales del cerebro de rata delineadas en función de la dirección del flujo sanguíneo. (C) Velocidad del flujo sanguíneo en el cerebro de la rata. (D) Histograma de velocidad del flujo sanguíneo en el cerebro de rata, que muestra la distribución de 1 mm/s a 80 mm/s. Las barras de color azul claro representan el rango de velocidad de 5-25 mm/s. La línea roja representa la curva ajustada a los datos, lo que ilustra el perfil de distribución de velocidad típico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Resultados experimentales de la reconstrucción ULM de la estructura microvascular en el modelo de glioblastoma cerebral de rata in vivo. (A) Estructura microvascular del cerebro de rata. (B) Dirección del flujo sanguíneo en el cerebro de la rata. (C) Velocidad del flujo sanguíneo en el cerebro de la rata. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Este protocolo utilizó con éxito ULM para realizar imágenes de superresolución de la microvasculatura cerebral de rata in vivo. En comparación con otras modalidades de obtención de imágenes, ULM se adapta simultáneamente a la resolución espacial y a la profundidad de penetración. Se tomaron imágenes del cerebro de rata expuesto en lugar de a través del cráneo, evitando la atenuación y la distorsión causadas por la presencia de hueso. Bajo un transductor con una frecuencia central de 15,625 MHz, se capturaron estructuras vasculares a una profundidad de aproximadamente 12 mm, con una resolución espacial de hasta 12,5 μm. La dirección del flujo sanguíneo facilitó la diferenciación de regiones específicas de pequeñas arterias y venas. Además, la técnica admite una amplia gama de mediciones de velocidad de flujo (1-80 mm/s).
La craneotomía realizada en ratas es fundamental en este protocolo. Durante la cirugía, es fundamental minimizar el sangrado excesivo. Por un lado, el sangrado excesivo puede afectar a la circulación sanguínea, siendo una manifestación típica la ausencia de reconstrucción vascular en las zonas corticales. Por otro lado, también puede causar cambios fisiológicos o incluso la muerte en los animales de experimentación. El dispositivo estereotáctico utilizado en el procedimiento cuenta con un programa de craneotomía automatizado que puede reducir el trauma y aumentar la tasa de éxito, pero depende en gran medida de la experiencia del profesional. Esto se debe a que es necesaria una determinación precisa de la ubicación y profundidad del sitio de perforación para evitar causar daños o lesiones secundarias al cerebro de la rata. Si bien la craneotomía no siempre es necesaria, las imágenes transcraneales de ULM son prometedoras, pero requieren algoritmos sólidos de compensación o corrección de la distorsión. Además, se emplea una bomba de microinyección para administrar MB de manera constante, asegurando que permanezcan escasos y estables dentro del sistema vascular de la rata. Este enfoque es amigable para las técnicas de localización convencionales, ya que facilita las reconstrucciones ULM de alta calidad. Sin embargo, extiende tanto la adquisición de datos como la duración de la obtención de imágenes, lo que hace que la obtención de imágenes ULM sea un proceso prolongado. Una estrategia alternativa implica el uso de inyecciones de MB de alta densidad, lo que requiere la implementación de algoritmos avanzados, como el aprendizaje profundo21,22, para mantener la resolución de la imagen sin degradación.
Se utilizó anestesia con isoflurano siguiendo la dosis recomendada por el fabricante del equipo para mantener la estabilidad fisiológica en la rata. Sin embargo, como se ha documentado en estudios previos, la anestesia con isoflurano tiene efectos conocidos sobre el sistema circulatorio, potencialmente influyendo en parámetros cardiovasculares como la presión arterial y la frecuencia cardíaca23,24. Estos cambios pueden introducir variabilidad en la dinámica del flujo sanguíneo, lo que podría afectar la precisión de las mediciones del flujo sanguíneo.
En conclusión, este protocolo demuestra el amplio potencial de aplicación de ULM, proporcionando una referencia para la investigación prospectiva de enfermedades cerebrales basadas en modelos de animales pequeños. Tiene un valor significativo para comprender los cambios fisiopatológicos a nivel microvascular y para evaluar la respuesta de la progresión de la enfermedad a los tratamientos.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China bajo la Subvención 2023YFC2410903, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvenciones 12274092, 12034005), el Programa de Exploradores de Shanghái (Subvención 21TS1400200), el Programa de Cooperación Internacional en Ciencia y Tecnología de Shanghái (Subvención 24490710400) y la Fundación de IA para la Ciencia de la Universidad de Fudan (Subvención FudanX24AI016).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alcohol | DICHANG | https://www.dehsm.com/goods-17187.html | 75% |
Beamforming program | Institute of Biomedical Engineering at the University of Montreal | Matlab Ultrasound Toolbox 3.4 version | |
Body temperature maintenance device | RWD Life Science Co., Ltd. | 69026 | |
Brain stereotaxic instrument | RWD Life Science Co., Ltd. | 71000-R | Adaptable to breathing mask |
Cranial Microinjection Surgical Instrument Kit | RWD Life Science Co., Ltd. | SP0005-R | |
Digital microscope | RWD Life Science Co., Ltd. | DOM-1001 | |
Drug delivery catheter | RWD Life Science Co., Ltd. | https://www.rwdls.com/product-solutions/life-sciences/administration/draw-blood | |
Erythromycin ointment | Renhe Pharma | H36020018 | 1% x 15 g |
Gas anesthesia machine | RWD Life Science Co., Ltd. | R500IE | Includes breathing mask |
Handheld electric clipper | GUAZHOUMU | MJD-DTJ02 | |
Handheld mini cranial drill | RWD Life Science Co., Ltd. | 78001 | |
Indwelling needle | Kindly EnterpriseDevelopment Group Co., LTD | Positive Pressure Model | 26 G |
Iodine solution | HYNAUT | https://www.hainuocn.com/index/detail/524.html | 4.5–5.5 g/L |
IQ demodulation program | Institute of Biomedical Engineering at the University of Montreal | Matlab Ultrasound Toolbox 3.4 version | |
Isoflurane | RWD Life Science Co., Ltd. | R510-22-10 | |
MATLAB software | MathWorks | Version R2021a | |
Microinjection pump | RWD Life Science Co., Ltd. | R462 | |
Sodium chloride injection | SHENG'AO animals pharmaceutical Co., Ltd. | 270071460 | 0.90% |
SonoVue | Bracco | https://www.bracco.com/en-se/product/sonovue | |
Spherical drill bit | RWD Life Science Co., Ltd. | HM1027/HM1010 | |
Supporting Positioning Software | RWD Life Science Co., Ltd. | V2.0.0.30400 | |
Syringe | Kindly EnterpriseDevelopment Group Co., Ltd. | RWLB | 1 mL |
Tracking program | Jean-Yves Tinevez | 2016 version | |
Ultrasound gel | Junkang Medical Equipment Co., Ltd. | Model DS-1 | |
Ultrasound probe | VERASONICS, INC. | L22-14vX LF | |
Verasonics Ultrasound System | VERASONICS, INC. | Vantage-256 | ultrasound platform |
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