使用18F-FDG 微型PET/CT测定葡萄糖代谢动力学

摘要

本研究描述了一种利用 ¹⁸F-FDG 与正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）成像结合动力学建模，用于定量分析 体内实时摄取 ¹⁸F-FDG 进入组织。

摘要

本文描述了以下方法的使用： ¹⁸F-FDG 与微型 PET/CT 成像以确定 体内 小鼠葡萄糖代谢动力学（可推广至大鼠）。由于胰岛素抵抗导致多种器官系统对葡萄糖的摄取和代谢受损，是2型糖尿病的典型特征。该技术通过迭代去卷积方法从下腔静脉提取图像衍生的输入函数，从而无需采集动脉血样。将组织和下腔静脉的时间-放射性曲线拟合至双组织三室模型，可估算与葡萄糖代谢相关的动力学微参数 ¹⁸F-FDG 从血浆到细胞内空间的摄取率、从细胞内空间到血浆的转运速率以及 ¹⁸F-FDG 磷酸化。该方法能够在纵向研究中对葡萄糖摄取和代谢动力学进行多项测量，同时为治疗干预的效果提供深入见解。

引言

本研究的目的是开发一种基于正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）的方法，用于定量分析 体内，小鼠特定组织从血液中实时摄取葡萄糖。这是通过使用 ¹⁸F标记的氟脱氧葡萄糖（FDG）用于测量葡萄糖摄取，并结合动力学建模以估算代谢速率 ¹⁸F-FDG 从血浆到细胞内空间的摄取率、从细胞内空间回到血浆的转运速率以及 ¹⁸F-FDG 磷酸化。

在啮齿类动物中, ¹⁸F-FDG 已被用于多种癌症治疗的临床前评估¹，肿瘤进展的研究² 以及肿瘤代谢³ 以及棕色脂肪库的成像⁴神经炎症⁵ 以及脑代谢⁶.

传统方法用于检测小鼠（和大鼠）组织特异性葡萄糖摄取时，通常涉及使用³H或¹⁴C放射性标记的2-脱氧葡萄糖进行处理，随后实施安乐死，采集组织并测量各组织中的放射活性⁷。而PET/CT技术能够在活体动物中同时无创地测定多个器官和区域的葡萄糖摄取与代谢情况。此外，由于无需实施安乐死，该技术适用于纵向研究。

2型糖尿病（T2DM）的特征是葡萄糖代谢紊乱以及继发于组织对胰岛素反应性降低（胰岛素抵抗）和胰腺β细胞无法产生足够胰岛素的高血糖状态⁸。对葡萄糖摄取和代谢的动力学分析可为治疗干预的作用机制和疗效提供重要见解，并有助于对疾病进展进行高级监测。

方案

本研究中描述的所有实验程序均经悉尼地方卫生区和悉尼大学动物伦理委员会批准，并遵循美国国立卫生研究院（NIH）的指导原则 实验动物护理和使用的指南第八版（2011年）

1. 动物准备

注意：本方案中使用雄性 db/db 小鼠（BKS.Cg-Dock7^m +/+ Lepr^db/J) 在群体饲养条件下维持培养 随意摄取 6周龄前可自由进食和饮水。成像时小鼠体重约为30 g。本方案所用小鼠的空腹血糖水平均在10至14 mmol/L之间。

1. 如有需要，对小鼠进行禁食处理。在本示例中，在实验操作前对小鼠禁食 5 h。
2. 在成像开始前，用目标试剂（e.g. 药物、蛋白质、多肽）处理小鼠。在本例中，在成像开始前 30 min，皮下注射胰岛素（3 U/kg 人胰岛素）或等体积的 PBS。

2. 设置工作流程

注意：本方案在 PET/CT 扫描仪上实施。先采集 PET 数据，再采集 CT 数据。

1. PET 设置：
   1. 选择同位素为 ¹⁸F，扫描持续时间为 3,600 秒，上下能量阈值设为 350 keV - 650 keV（默认值），符合时间窗为 3.432 ns（默认值）。将列表模式数据按时间分为 16 个帧（6 × 10 秒，4 × 60 秒，1 × 300 秒，5 × 600 秒），覆盖示踪剂注射后 0 - 60 分钟的时间段。使用 2D-FBP 方法重建发射投影数据，放大倍数为 1.5。
      注：重建后的图像包含 16 个动态帧，每帧包含 128 × 128 × 159 个体素，体素尺寸为 0.52 × 0.52 × 0.796 mm³。
2. CT 设置：
   1. 进行全身 CT 扫描时，设置电流为 500 A，电压为 50 kV，曝光时间为 500 ms，在 360° 旋转中采集 200 个投影。探测器视野（FoV）设为 30722048，床位位置数设为 3（以覆盖完整的 PET 视野范围），床位间重叠率为 30.234713%，探测器分箱（binning）设为 4。
      注：CT 图像重建采用锥束断层成像重建软件，包含 HU 校准、双线性插值和 Shepp-Logan 滤波器。
3. ¹⁸F-FDG：
   1. 从本地供应商订购足量的 ¹⁸F-FDG（例如 0.5 mL 中含 450 MBq），确保在首次注射前约 30 分钟送达。分装并稀释 ¹⁸F-FDG，使每只动物接受约 10 MBq 的 ¹⁸F-FDG，最终注射体积为 0.1 mL。

3. 成像方案

1. 使用80%（v/v）乙醇擦拭诱导室和成像床，以维持无菌条件。将小鼠放入诱导室中，并用含5%异氟烷的氧气进行麻醉。
2. 将小鼠置于配备电加热垫以维持体温、并装有精密挥发性麻醉剂鼻罩的成像床上，通过鼻罩以1 L/min的流速输送异氟烷（维持浓度为1.5–2%）。在麻醉期间，向眼睛涂抹眼用软膏以防止角膜干燥。
3. 将小鼠俯卧位放置在传感器垫上，以监测呼吸，并确保维持适当的麻醉深度。
4. 使用加热包加热尾部1–2分钟，以扩张尾侧静脉。将30号针头插入尾侧静脉进行尾静脉插管。用外科胶水固定针头，并妥善固定导管。
5. 将成像床装入扫描仪，并移动床体使导管可从机器后方接触。
6. 将导管连接至注射泵中的¹⁸F-FDG注射器。根据注射前注射器内的放射性活度计算精确的¹⁸F-FDG剂量（10 MBq），并确定给药体积（< 100 μL，在10秒内注射完毕）。
7. 为尽量减少麻醉对葡萄糖摄取变异性的干扰，应确保从麻醉诱导到注射¹⁸F-FDG之间的时间恒定（例如30分钟）。
8. 在注射¹⁸F-FDG前立即开始PET扫描。完成PET扫描（3,600秒）后，进行CT扫描（约10分钟），以便将放射性示踪剂摄取信号与组织结构共定位。
9. 将成像床移回起始位置，将动物从床上取出。
10. 此时可选择实施安乐死或允许动物恢复：
    1. 如实施安乐死，应在动物仍处于麻醉状态下进行颈椎脱位，并采集目标器官用于后续分析。
    2. 如允许小鼠恢复，则将其单独饲养于加热垫上或加热灯前。持续监测小鼠直至其意识充分恢复，能够维持胸卧位。待小鼠恢复1小时后，再放回群体饲养环境。

4. PET 图像处理

注意：图像重建使用采集工作平台软件 v1.5.0.28 进行，分析在科研工作平台软件 v4.2 中完成。

1. 将CT与PET图像进行配准，并确保在所有三个维度上的对齐准确无误。
   1. 在“文件”菜单中，选择“文件夹搜索/导入”，并选择包含数据的文件夹。选择所需的 PET 和 CT 数据，然后点击“通用分析”选项卡。
   2. 将数据排序，使 CR 被指定为“源”（Source），PET 被指定为“目标”（Target）。在“工作流程”（Workflow）菜单中选择“配准”（Registration）。如果图像需要调整以实现准确的配准，请使用“配准”（Registration）菜单中的工具。
2. 在“工作流程”菜单中，选择“ROI 定量分析”。
   1. 使用“图像”选项卡中的“平移”和“缩放”功能定位目标区域。在“工具”菜单中，选择“创建”选项卡，点击画笔图标，在图像上绘制感兴趣区域（ROI）
3. 从“保存”菜单中选择“保存ROI定量结果”以提取时间-活性曲线。将数据保存为CSV文件。
4. 以每平方厘米贝可（Bq/cm²）计量放射性摄取量³ 组织中的放射性占注射剂量的百分比（%ID/cm）³ % ID/cm³通过将CSV文件加载到电子表格中来完成。

5. 输入函数

1. 为校正系统点扩散函数，采用先前所述的重模糊 Van Cittert 去卷积方法，对估计的系统点扩散函数进行 5 次迭代去卷积⁹。
   注意：由于小鼠下腔静脉尺寸较小，此步骤是必需的。
2. 使用去卷积后的图像，按照上述方法生成血液输入函数的时间-活度曲线。

6. 动力学建模

注意：FDG 两室模型（图1）需要血浆输入函数。

1. 使用以下公式¹⁰将 CSV 文件中的血液输入函数转换为血浆输入函数：Input_plasma = Input_blood × (0.386e^−0.191t + 1.165)。
2. 在动力学建模工具中点击“Kinetic”按钮。通过从“Menu”中选择“Load Time Activity Curve”，将组织和血浆总放射性计数的 CSV 文件导入动力学建模工具。
3. 在“Model”菜单中选择两室模型。确保 k4 旁边的复选框未被选中，并输入值 0。在初始拟合时，取消勾选 vB（血容量分数）旁边的复选框，并输入 2% 的值。
4. 点击“Fit current region”。对提取的兴趣区域进行弥散校正^11,12。通过针对不同弥散时间最小化 FDG 模型的卡方值来实现此校正。
5. 使用浮动的 vB 值（勾选 vB 旁边的复选框）和优化后的弥散值进行第二次拟合，以计算区域速率常数（k₁–k₃）。计算区域流入常数 K_i = (k₁ × k₃) / (k₂ + k₃)。

结果

我们先前曾使用db/db小鼠模型来研究提高血浆apoA-I水平对葡萄糖摄取和代谢动力学的影响¹³。在本研究中，我们采用胰岛素治疗的db/db小鼠，以证明PET/CT成像在实时监测¹⁸F-FDG从血浆进入腓肠肌摄取过程中的应用价值。

将6周龄的db/db小鼠麻醉后，在PET扫描开始前30分钟，通过皮下注射给予每公斤体重3 U人胰岛素，或等体积的PBS。小鼠通过静脉注射接受10 MBq的¹⁸F-FDG，并用PET测量60分钟内的摄取情况。随后进行CT扫描以提供解剖学参考。

使用CT图像在下腔静脉和腓肠肌上绘制感兴趣区域（图2）。对db/db小鼠进行胰岛素治疗后，在整个数据采集时间段内，腓肠肌感兴趣区域的^...

讨论

本文所述方案代表了一种可靠且非侵入性的方法，用于测定葡萄糖从小鼠血液进入组织的摄取动力学及其后续代谢过程。

db/db 小鼠是2型糖尿病的一种公认动物模型¹⁴，已被广泛用于研究胰岛素抵抗及相关干预措施。然而，既往研究仅对心脏¹⁵以及心脏和骨骼肌¹⁶中的终点摄取进行了定量分析。

利用动力学分析来确定生理速率常数，并对¹⁸F-FDG从血浆进入组织的摄取过程进行建模，有助于深入了解抗糖尿病治疗对葡萄糖摄取和代谢的影响。此外，这些实验可进行纵向重复，以评估例如年龄或饮食对葡萄糖代谢的影响。相比传统方法——需处死动物并采集目标器官，因而仅能提供单时间点信息——该方法具有明显优势。

尽管先前已使用完整心脏¹⁷以及小鼠的心脏、肝脏和血液样本^...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
正电子发射断层扫描/计算机断层扫描仪	西门子	Inveon
18F-FDG	PETNET Solutions
异氟烷	Pharmachem
30 号针头	BD	305106
PMOD 建模软件	PMOD Technologies
BKS.Cg-Dock7m +/+ Leprdb/J 小鼠	杰克逊实验室	000642
人胰岛素	Sigma-Aldrich