Anwendung der Laser-Speckle-Bildgebung in der Forschung zum ischämischen Schlaganfall

es ist wichtig, den zerebralen Blutfluss mittels Laser Speckle Imaging (LSCI) in ischämischen Schlaganfallmodellen zu überwachen, um einen angemessenen anhaltenden Verschluss zu dokumentieren und die Reperfusion zu überwachen

Die derzeit in der Forschung verwendeten Ischämie-Modelle sind unzureichend, wenn es darum geht, eine anhaltende Verringerung des Blutflusses zu bewirken. In einigen Fällen ist es möglich, dass eine spontane Reperfusion unmittelbar nach der Okklusion eintritt, was zu einer Variabilität der Infarktgröße führt[1]. Daher ist es wichtig, den zerebralen Blutfluss mit Laser Speckle Imaging (LSCI) in ischämischen Schlaganfallmodellen zu überwachen, um eine adäquate anhaltende Okklusion zu dokumentieren und die Reperfusion zu überwachen, was einen besseren Einblick in die Entwicklung der Schlaganfallbehandlung ermöglicht.

Einführung in die Forschung zum ischämischen Schlaganfall

Der Schlaganfall ist in den meisten Ländern eine weit verbreitete tödliche Krankheit, wobei der ischämische Schlaganfall die häufigste Form ist. In den letzten 20 Jahren wurden bei der Erforschung des ischämischen Schlaganfalls beträchtliche Fortschritte erzielt, aber es bestehen weiterhin große Wissenslücken bei der Behandlung des ischämischen Schlaganfalls. Mit Hilfe der Laser Speckle Imaging (LSCI)-Technologie werden präklinische Studien durchgeführt, um die Entwicklung der Behandlung des ischämischen Schlaganfalls voranzutreiben.

Mechanismus der Laser-Speckle-Bildgebung (LSCI)

Das Grundkonzept von LSCI besteht in der Erzeugung von Interferenzmustern aus reflektiertem oder gestreutem Licht von einer beleuchteten Oberfläche, die wiederum einen körnigen Effekt erzeugen, der auch als Laserspeckle bekannt ist. Die Bewegung des Speckle-Musters entspricht der Bewegung eines Objekts, die mit der Idee der Speckle-Fluktuation verbunden ist, die durch die Geschwindigkeit des Blutflusses ausgelöst wird[2]

Ist der Blutfluss in diesem Fall eingeschränkt, zeigt das Echtzeitbild einen stark erhöhten Speckle-Kontrast. Im Gegensatz dazu erscheint das Speckle-Muster bei hohem Blutfluss allmählicher und verschwommener.

Einsatz von Laser Speckle Imaging in der Forschung zum ischämischen Schlaganfall

Da der wichtigste Indikator für einen ischämischen Schlaganfall die Abnahme des zerebralen Blutflusses (CBF) ist, wird LSCI zur Überwachung der räumlich-zeitlichen CBF-Veränderungen nach dem Einsetzen des Schlaganfalls in den temporären Ischämie-Modellen eingesetzt. Außerdem liefert es Echtzeitinformationen mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung vor, während und unmittelbar nach der Ischämieoperation. Diese Funktion ist für die Wettbewerbsfähigkeit der Forschungsarbeit förderlich, da sie die Versuchsdauer erheblich verkürzt und gleichzeitig aussagekräftigere Daten liefert, um die Validität des Experiments zu erhöhen.

Die meisten präklinischen Studien zum Schlaganfall mit Laser Speckle Imaging konzentrieren sich auf die Ischämie, da der fokale ischämische Schlaganfall bei Tieren in der Regel durch einen Verschluss der mittleren Hirnarterie ausgelöst wird. Verschiedene Modelle des Verschlusses der mittleren Hirnarterie (MCAO) erfordern unterschiedliche chirurgische Methoden. Die gebräuchlichsten sind zum Beispiel die Naht- und die Emboliemethode. Das MCAO-Modell mit intraluminaler Naht ist eines der am häufigsten verwendeten experimentellen Modelle für fokale zerebrale Ischämie, um eine vaskuläre Endothelschädigung hervorzurufen, die einen klinischen ischämischen Schlaganfall nachahmt[3]

Die hochwertigen quantisierten Daten, die LSCI liefert, erhalten die Qualität und erhöhen die Erfolgsrate der MCAO-Modelle. Das Modell gilt nur dann als erfolgreich, wenn die gemessenen CBF-Änderungen über 70 % liegen. Neben dem Testen der Modelle führt LSCI fortlaufende Untersuchungen unter postoperativen Bedingungen durch, um die Erholungsrate und die Verbesserung der Perfusion zu bewerten.

Der Aufbau des LSCI-geführten MCAO-Modells, das entsprechend der unmittelbaren Rückmeldung und Korrektur durch die LSCI-Technologie modifiziert werden kann, kann von Anfängern in etwa einem Monat abgeschlossen werden. Ohne die Unterstützung von LSCI kann es 4 bis 6 Monate dauern, bis der Aufbau abgeschlossen ist.

Erfolgreicher Fall

Für Forscher war es schon immer eine Herausforderung, ein erfolgreiches Tiermodell des Schlaganfalls zu erstellen, z. B. ein stabiles Infarktvolumen im MCAO-Modell, da das Gewicht der Tiere, die Anatomie der Hirngefäße, das Nahtmaterial, die Tiefe der Fadeneinführung und die chirurgischen Eingriffe variieren.

Bisher war die Laser-Doppler-Durchflussmessung (LDF) die am häufigsten verwendete intraoperative Methode zur Überprüfung des Abfalls des zerebralen Blutflusses (CBF) unmittelbar nach dem Eingriff. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegenüber Bewegungen und der fehlenden räumlichen Auflösung kann die LDF jedoch in den meisten Fällen nur zur postoperativen Bestätigung verwendet werden.

LSCI bietet Marker für den zerebralen Blutfluss (CBF), die das Einsetzen der Fäden während des Eingriffs anleiten und es den Forschern ermöglichen, die Einsetztiefe der Fäden entsprechend anzupassen, um die Konsistenz des Infarktvolumens zu verbessern und die Mortalität zu verringern. Es gibt viele erfolgreiche Fälle, bei denen die LSCI zur Verbesserung der Stabilität des Modells eingesetzt wurde.

Westlake-Labor für Biowissenschaften und Biomedizin

Dieser Kunde hatte zum Ziel, den perinatalen arteriellen embolischen Schlaganfall, der durch den Verschluss des dMCA ausgelöst wurde, mit Hilfe von SIMPLeR (embolischer Schlaganfall, ausgelöst durch mit magnetischen Nanopartikeln beschichtete rote Blutkörperchen) zu bewerten[4]

Es gab jedoch immer noch technische Probleme bei der präzisen Kontrolle der Embolie in den mechanistischen Studien zur Schädigung und Reparatur des Gehirns nach einem perinatalen arteriellen ischämischen Schlaganfall (PAIS). LSCI lieferte ein Maß für die Blutflussgeschwindigkeit, indem es das Ausmaß der Unschärfe der dynamischen Flecken quantifizierte, die durch die Bewegung der roten Blutkörperchen durch die Gefäße verursacht werden.

Wie unser Kunde bestätigte, "sind die traditionellen pathologischen Schnittmethoden und neurologischen Beurteilungsinstrumente nicht in der Lage, den Anforderungen der MCAO-Modelle gerecht zu werden. Das liegt daran, dass es Unterschiede zwischen den verschiedenen Infarkttypen gibt, auch wenn ihre klinischen Symptome ähnlich sind. Im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren erhöht LSCI die Erfolgsquote des Experiments erheblich und sammelt ein breites Feld von CBF-Daten im gesamten Gehirn. "

[1] Kuriakose D, Xiao Z. Pathophysiologie und Behandlung des Schlaganfalls: Present Status and Future Perspectives. Int J Mol Sci. 2020 Oct 15;21(20):7609. doi: 10.3390/ijms21207609. PMID: 33076218; PMCID: PMC7589849.

[2] B. David,'Laser Doppler, speckle and related techniques for blood perfusion mapping, Physiological Measurement (2001).

[3] L. Yuan, und L. Hongyang, und L. Hangdao, T. Shanbao,'Photothrombotic Ischemia: A Minimal Invasive and Reproducible Photochemical Cortical Lesion Model for Mouse Stroke Studies', J Vis Exp (2013)

[4] Precise control of embolic stroke with magnetized red blood cells in mice,Communications Biology volume 5, Article number: 136 (2022), https://www.nature.com/articles/s42003-022-03082-9