Evaluation of cerebral blood flow changes associated with cerebral hypoxia-ischemia in neonatal rats using arterial spin labeling perfusion MRI

Abstract

Purpose The purpose of this study was to evaluate cerebral blood flow (CBF) changes over time in the animal model of neonatal hypoxic-ischemic brain injury using arterial spin labeling (ASL) and correlate CBF changes with development of diffusion restriction on diffusion-weighted imaging (DWI). Materials and methods Six 7-day-old neonatal rats with unilateral carotid artery ligation underwent multiple ASL and DWI MRI scans at 9.4 T before and during hypoxia (8% O2). One 7-day-old rat underwent ASL MRI without surgical ligation or hypoxia as a normal CBF control. Delayed T2-weighted MR imaging and histological examination were performed on day 3 post-hypoxia. CBF values on ASL were measured in four brain areas (i.e., ipsilateral and contralateral cortical and deep areas). The development of diffusion restriction was also evaluated in each of the four areas (i.e., DWI-positive[+] vs. DWI-negative[-] areas). Regional CBF changes over time were evaluated. Regional CBF values and their changes over time were compared between the DWI(+) and DWI(-) areas. Results Regional CBF values before hypoxia were significantly lower than those of the normal control (CBF in normal control vs. CBF before hypoxia: 147.8 vs. 39.2 ± 19.7 in ipsilateral cortex, p < 0.01; 151.5 vs. 49.2 ± 21.2 in ipsilateral deep area, p < 0.01; 150.0 vs. 108.2 ± 22.2 in contralateral cortex, p = 0.014; and 165.0 vs. 104.22 ± 26.0 in contralateral deep area, p < 0.01). After exposure to hypoxia, CBF values decreased in all areas (mean CBF difference: -25.5 in ipsilateral cortex, p = 0.057; -21.5 in ipsilateral deep area, p = 0.012; -52.2 in contralateral cortex, p<0.01; -36.4 in contralateral deep area, p<0.01). Eleven areas with diffusion restriction were included in the DWI(+) area group, whereas 13 areas showing no diffusion restriction were included in the DWI(-) area group. The regional CBF values in the DWI(+) area were estimated to be 34.6 ml/100 g/min lower than those in the DWI(-) area. On delayed T2-weighted MRI, the diffusion-restricted areas presented as areas of bright signal intensity or heterogeneous mixed signal intensity with volume loss, which correlated to areas of infarction or ischemia on histology. Conclusion The ASL perfusion MRI technique made it possible to evaluate regional CBF changes over time during exposure to hypoxia in neonatal rats with unilateral carotid artery ligation. Damaged brain areas that matched well with the diffusion restricted areas had significantly lower CBF values at all time points, compared to preserved areas without diffusion restriction. CBFs measured with ASL may be utilized as a useful imaging indicator of subsequent hypoxic ischemic brain damage.

목적 신생 백서를 이용한 저산소성 허혈성 뇌손상 모델에서 동맥스핀표지(ASL) 관류자기공명영상을 이용하여 시간 경과에 따른 대뇌혈류(CBF)의 변화를 평가하고, 뇌혈류 변화와 확산강조영상(DWI) 및 조직학적 소견을 비교 평가하고자 한다. 방법 생후 7일된 신생아 쥐 6마리에서 일측 경동맥을 결찰한 뒤 저산소(8% O2)를 가하면서 9.4T MRI에서 ASL 및 DWI MRI 검사를 시행하였다. 생후 7일된 쥐 한 마리를 외과적 결찰이나 저산소증없이 ASL MRI를 시행하여 정상 뇌혈류 대조군으로 사용하였다. 3일 뒤 T2강조영상과 조직검사를 시행하였다. ASL CBF 값을 4개의 뇌영역(즉, 동측과 반대측 피질 및 심부 영역)에서 측정하였다. 각 영역에서 DWI상 제한확산의 발생 여부를 평가하였다 (즉, DWI-양성 대 DWI-음성군). 시간 경과에 따른 CBF 변화를 평가하였다. 시간 경과에 따른 CBF 변화 양상을 DWI양성군과 음성군간에 비교하였다. 결과 일측 경동맥 결찰 후 CBF 값은 정상 대조군에 비해 유의하게 낮아졌다 (정상 대조군 CBF vs.대 저산소증 전 CBF: 동측 대뇌피질, 147.8 vs. 39.2 ± 19.7, p <0.01; 동측 심부영역, 151.5 vs. 49.2 ± 21.2, p <0.01; 반대측 피질, 150.0 vs. 108.2 ± 22.2, p = 0.014; 반대측 심부영역, 165.0 vs 104.22 ± 26.0, p <0.01). 저산소에 노출 된 후 CBF 값은 모든 영역에서 감소했다 (평균 CBF 차이, 동측 피질에서 -25.5, p = 0.057; 동측 심부영역에서 -21.5, p = 0.012, 반대쪽 피질에서 -52.2, p <0.01, 반대측 심부영역에서 -36.4, p <0.01). DWI양성군에는 확산제한이 있는 11개의 영역이 포함되었고 DWI음성군에는 확산제한이 없었던 13개의 영역이 포함되었다. DWI-양성군의 CBF 값은 DWI-음성군보다 평균 34.6 ml/100g/min 낮았다. 지연 T2강조 MRI에서 확산 제한을 보였던 영역은 밝은 신호 강도 또는 부피 감소를 동반한 혼합 신호 강도 영역으로 보였으며 조직학상의 경색이나 허혈 영역과 일치하였다. 결론 ASL 관류자기공명영상법을 이용하여 신생백서에서 일측 경동맥 동맥 결찰 후 저산소증에 노출되는 동안, 시간에 따른 CBF 변화를 평가할 수 있었다. 확산 제한 영역과 잘 일치하는 손상 뇌영역은 확산 제한이 없었던 보존 뇌영역에 비해 모든 시점에서 CBF 값이 현저히 낮았다. ASL 기법으로 측정된 CBF값은 향후 저산소성 허혈성 뇌 손상 발생을 예측하는데 유용한 영상지표로서 이용될 수 있다.