Manganese-enhanced MRI as an <em>in vivo</em> functional imaging tool in mice

Grünecker, Barbara

Barbara Grünecker

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Original title:: Manganese-enhanced MRI as an in vivo functional imaging tool in mice
Translated title:: Mangan-verstärkte MRT als in vivo funktionelle Bildgebungsmethode in Mäusen
Author:: Grünecker, Barbara
Year:: 2011
Document type:: Dissertation
Faculty/School:: Fakultät für Medizin
Advisor:: Ziegler, Sibylle (Prof. Dr.)
Referee:: Ziegler, Sibylle (Prof. Dr.); Wotjak, Carsten T. (Priv.-Doz. Dr.); Zimmer, Claus (Prof. Dr.)
Language:: en
Subject group:: MED Medizin
Abstract:: Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) is an increasingly used imaging technique in preclinical MR research. The paramagnetic property of the manganese ion (Mn²⁺) results in improved T₁-weighted tissue contrast. Its chemical similarity to Calcium leads to accumulation of Mn²⁺ in excited neurons and thus allows visualization of neuronal activity in vivo. However, at higher concentrations Mn²⁺ exhibits toxic side effects that interfere with the animals' behavior and well-being. Thus, the first aim of the presented doctoral thesis was to find an experimental protocol for minimizing side effects and intensifying image contrast. This was realized through the application of Mn²⁺ in a fractionated manner. The effects of different fractionated Mn²⁺ application schemes on vegetative, behavioral and endocrine markers have been investigated in C57BL/6N mice, a mouse strain fairly sensitive to Mn²⁺. An application protocol of 8 injections of 30 mg/kg of MnCl2•4H2O (8×30/24) was found to balance side effects and satisfying image contrast best of all investigated protocols. To determine the temporal evolution of the MEMRI-contrast during the application phase and after termination of the 8×30/24 injection protocol a study with repeated MRI readouts was performed. Knowledge of contrast dynamics is necessary to optimize the timing of the application of physiological and psychological stressors in functional MEMRI experiments. Furthermore, in longitudinal studies sufficient time needs to be considered between successive Mn²⁺-applications to allow for clearance of Mn²⁺ from the brain. It was found, that the 8×30/24 injection protocol did not lead to saturation effects. Mn²⁺ clearance from the brain indicated half-lives of 5.5 to 7.3 days, depending on the brain region. Further it was found, that before performing a second measurement session in the same animals, a delay of at least 8 weeks should be considered to ensure total clearance of Mn²⁺ from the brain. To examine the feasibility of fractionated MEMRI as functional imaging tool a mouse model of extremes in trait anxiety was treated with fractionated Mn²⁺ injections. The mouse model consists of animals bred for high, normal or low anxiety-related behavior (HAB, NAB, LAB respectively). A hypothesis-free whole brain approach identified the hyper-activation of an anxiety-related brain network in HAB animals under basal conditions as compared to LAB animals, with NAB animals showing intermediate activation. Results could be verified by histological staining for Cytochrome-oxidase activity, providing first evidence that trait anxiety activity can be reliably detected in vivo using MEMRI. In conclusion, the accomplishment of these experiments can add to todays knowledge of Mn²⁺ toxicity and temporal development of MEMRI contrast in the brain. Further, this work provides a robust MEMRI method for in vivo quantification of trait specific alterations of the neurocircuitry of anxiety. As longitudinal studies become possible neuronal activation patterns of trait anxiety can be modulated pharmacologically or psychologically and their alterations after the intervention can be assessed in vivo. The MEMRI method can readily be applied to other traits and diseases and thus opens up a great number of opportunities for future research in the living animal.
Translated abstract:: Mangan-verstärkte Magnetresonanztomographie (MEMRI) ist eine Bildgebungsmethode, die in präklinischer MR-Forschung zunehmend Verwendung findet. MEMRI macht sich die paramagnetischen Eigenschaften des Mangan-Ions (Mn²⁺) zu nutze, um T₁-gewichteten Gewebekontrast zu verbessern. Die chemische Ähnlichkeit von Mn²⁺ zu Kalzium führt zu Anreicherung von Mn²⁺ in erregten Nervenzellen und erlaubt daher die Visualisierung neuronaler Aktivität in vivo. Die Verabreichung hoher Dosen von Mn²⁺ führt jedoch zu toxischen Nebenwirkungen, die sich negativ auf das Wohlergehen der Labortiere auswirken. Daher bestand das erste Ziel der vorgelegten Dissertation darin, ein experimentelles Injektionsprotokoll zu finden, das sowohl Nebenwirkungen minimiert als auch den Bildkontrast verstärkt. Dies wurde durch die Einführung einer fraktionierten Mn²⁺-Gabe verwirklicht. Untersucht wurden die Auswirkungen verschiedener fraktionierter Applikationsprotokolle auf physiologische, endokrine und verhaltensbedingte Parameter in C57BL/6 Mäusen, eine Mauslinie, die besonders sensitiv auf Mn²⁺ reagiert. Die fraktionierte Gabe von 30 mg/kg MnCl2•4H2O über 8 Tage (8×30/24) stellte sich hierbei als das Injektionsprotokoll heraus, das von allen untersuchten Injektionsprotokollen toxische Nebenwirkungen und zufriedenstellenden Bildkontrast am besten in Einklang brachte. Um die zeitliche Entwicklung des MEMRI-Kontrastes während der Applikationsphase und nach der Beendigung des 8×30/24 Injektionsprotokolls zu bestimmen, wurde eine Studie mit wiederholten Messungen durchgeführt. Die Kenntnis der Kontrastdynamik ist notwendig, um die zeitliche Taktung zwischen Injektion und Anwendung eines Stressors in funktionellen MEMRI Experimenten zu optimieren. Außerdem muss bei longitudinalen Experimenten ausreichend Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Mn²⁺ Applikationen eingerechnet werden, um vorherigen Abtransport von Mn²⁺ aus dem Gehirn zu ermöglichen. Das Injektionsprotokoll führte nicht zur Sättigung. Weiterhin wurden Halbwertszeiten von 5.5 bis 7.3 Tagen, abhängig von der gemessenen Gehirnregion, bestimmt. Daher sollte vor nochmaliger Mn²⁺-Gabe in longitudinalen Studien ein Zeitraum von acht Wochen eingehalten werden, um sicher zu gehen, dass das gesamte Mangan aus dem Gehirn abtransportiert wurde. Um die Anwendbarkeit von MEMRI als funktionelles Bildgebungsverfahren zu untersuchen, wurde ein Mausmodell dispositioneller Ängstlichkeit mit fraktionierter Mn²⁺-Gabe behandelt. Dieses Mausmodell besteht aus Tieren, die selektiv auf hohes, normales sowie niedriges Angstverhalten (HAB, NAB bzw. LAB) gezüchtet wurden. Es wurde eine hypothesenfreie Analyse durchgeführt, die das gesamte Gehirn auf statistisch signifikante Unterschiede in Gehirnaktivierung, gemessen durch Signalintensitäten, untersuchte. Dabei wurde eine Hyperaktivierung von Gehirnregionen in HAB Mäusen unter basalen Bedingungen im Vergleich zu LAB Mäusen identifiziert, die dem Ängstlichkeitsnetzwerk zuzuordnen sind. NAB Mäuse zeigten dabei ausschließlich intermediäre Aktivierungen. Die Ergebnisse konnten mit einer unabhängigen, histologischen, funktionellen Färbungsmethode (Cytochrome-Oxidase Aktivität) verifiziert werden. Die Studie liefert somit erste Hinweise, dass Unterschiede in der Gehirnaktivität dispositioneller Ängstlichkeit in vivo mit MEMRI zuverlässig nachgewiesen werden kann. Die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente tragen zum heutigen Kenntnisstand über Mn²⁺ Toxizität wie auch der temporalen Entwicklung des MEMRI Kontrates bei. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass MEMRI eine robuste Methode zur in vivo Quantifizierung dispositioneller Änderungen des Ängstlichkeitsnetzwerkes ist. Da die Durchführung longitudinaler Studien durch MEMRI ermöglicht wird, können neuronale Aktivitätsmuster dispositioneller Ängstlichkeit pharmakologisch oder psychologisch moduliert werden und in vivo ausgelesen werden. Dies erlaubt weiterhin die in vivo Untersuchung der Beiträge bestimmter Gehirnregionen zur Disposition Ängstlichkeit. Die MEMRI Methode kann leicht auf andere Dispositionen und Krankheitsmuster angewendet werden, und eröffnet daher eine große Anzahl von Möglichkeiten für zukünftige Forschung im lebenden Tier.
WWW:: https://mediatum.ub.tum.de/?id=1083280
Date of submission:: 09.09.2011
Oral examination:: 09.11.2011
File size:: 37703164 bytes
Pages:: 178
Urn (citeable URL):: https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20111109-1083280-1-0
Last change:: 01.12.2011
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