Segmentações de redes perivasculares derivadas de alta
Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9205 (2023) Cite este artigo
Detalhes das métricas
Um fluxo de trabalho de segmentação personalizado foi aplicado a imagens de ressonância magnética de alto campo ex vivo de cérebros de ratos adquiridas após a infusão de agente de contraste intraventricular in vivo para gerar mapas dos espaços perivasculares (PVS). As segmentações da rede perivascular resultantes permitiram a análise das conexões perivasculares com os ventrículos, depuração de solutos parenquimatosos e transporte dispersivo de solutos dentro do PVS. Numerosas conexões perivasculares entre a superfície do cérebro e os ventrículos sugerem que os ventrículos se integram em um sistema de depuração mediado por PVS e aumentam a possibilidade de retorno do líquido cefalorraquidiano (LCR) do espaço subaracnóideo para os ventrículos via PVS. Assumindo a rápida troca de soluto entre os espaços PVS e CSF principalmente por advecção, a extensa rede perivascular diminuiu a distância média de depuração do parênquima para o compartimento de CSF mais próximo, resultando em uma redução de mais de 21 vezes na escala de tempo de depuração difusiva estimada, independentemente da difusividade do soluto . Isso corresponde a uma escala de tempo de depuração difusiva estimada em menos de 10 minutos para o beta-amilóide, o que sugere que a ampla distribuição de PVS pode tornar a difusão um mecanismo eficaz de depuração do parênquima. A análise adicional da dispersão de soluto oscilatório dentro do PVS indica que a advecção, em vez da dispersão, é provavelmente o principal mecanismo de transporte para compostos dissolvidos maiores que 66 kDa nos segmentos perivasculares longos (> 2 mm) identificados aqui, embora a dispersão possa ser significativa para compostos menores em segmentos perivasculares.
Os vasos sanguíneos no cérebro são circundados por espaços perivasculares (PVS) delgados que permitem a troca de fluidos entre os compartimentos do líquido intersticial e do líquido cefalorraquidiano (LCR)1. Essas estruturas receberam muita atenção recentemente devido ao papel que podem desempenhar em um mecanismo de depuração cerebral para resíduos metabólicos tóxicos, como beta-amilóide (Aβ), a proteína que se acumula na doença de Alzheimer2. Embora tenha sido observada a captação rápida do traçador de imagem do LCR3,4 e a depuração do parênquima5, há incerteza1 em relação ao mecanismo e direção do transporte6,7,8, a anatomia das rotas de transporte perivascular arterial, capilar e venoso5 e o efeito de canais de água aquaporin2 e sleep9 no transporte. No entanto, o transporte mediado por PVS no cérebro pode ter implicações significativas não apenas para doenças neurodegenerativas, mas também para a entrega de drogas ao tecido cerebral10 e a migração de câncer cerebral11,12 e células imunes13.
Embora vários estudos tenham demonstrado a captação de marcadores de imagem no PVS próximo à superfície do cérebro3,4,14, poucos examinaram o PVS mais profundo e suas conexões com o LCR nos ventrículos e cisternas cerebrais15,16. As seções histológicas após a captação do traçador sugerem uma rede intrincada e extensa de PVS em todo o cérebro17, mas a resolução da imagem de todo o cérebro in vivo limitou a análise da rede perivascular intacta apenas aos vasos maiores17,18,19. Existe a necessidade de um mapa 3D de todo o cérebro das principais estruturas perivasculares para analisar as propriedades da rede perivascular relevantes para a depuração, como conexões com os espaços internos do LCR, a distribuição do PVS no parênquima e o comprimento do segmento perivascular. Um mapa de PVS permitiria que mecanismos potenciais de transporte perivascular e parenquimatoso, como difusão, dispersão e advecção, fossem avaliados por meio de modelagem mecânica multiescala. Isso é necessário para entender melhor a eliminação de resíduos e planejar com precisão uma variedade de técnicas de administração de medicamentos, incluindo administração intravenosa, intratecal e de convecção aprimorada ao parênquima.
Embora uma segmentação da rede perivascular intacta em ratos não tenha sido publicada para o conhecimento dos autores, várias estratégias semiautomáticas foram desenvolvidas para segmentar o PVS humano em imagens clínicas de RM20,21,22,23,24,25. Em muitas dessas estratégias, o "tubeness" ou "vesselness" da imagem é determinado pela aplicação de filtros de Frangi26 baseados na curvatura espacial da intensidade da imagem. Ao aplicar um limite a essas imagens de tubeness, uma segmentação de PVS é produzida e incorporada a uma metodologia de segmentação maior, muitas vezes baseada em técnicas de aprendizado profundo20,21. Apesar de sua prevalência na segmentação perivascular humana, a limiarização da tuberidade não foi aplicada anteriormente ao segmento PVS em ratos ou camundongos, principalmente porque a resolução das imagens de RM in vivo adquiridas durante a administração do agente de contraste cefalorraquidiano não é suficientemente alta para resolver a maioria dos PVS contendo o agente de contraste.