Name: 分析18葡萄糖 PET/CT 成像作为研究结核分枝杆菌感染和治疗非人类灵长类动物的工具 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 4 s
Description: 学习使用¹⁸F-FDG PET/CT成像技术分析非人类灵长类动物的结核分枝杆菌感染进程、治疗效果及潜伏再激活情况。该方法可实现实时无创监测，无需定期解剖动物即可追踪病灶动态变化。

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作者希望感谢 Mark Rodgers 提供感染实验流程的框架，以及 L. Eoin Carney 和 Brian Lopresti 在建立这些成像流程方面的指导。本研究的经费由比尔和梅琳达·盖茨基金会（J.L.F.、P.L.L.）、美国国立卫生研究院、美国国家过敏与传染病研究所 R01 AI111871（P.L.L.）、美国国家心肺血液研究所 R01 HL106804（J.L.F.）和 R01 HL110811 提供。

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作者无任何利益冲突需要披露。

通过 PET/CT 获取的数据可作为结核分枝杆菌（M. tuberculosis）感染多个方面的替代性测量指标，这些指标若无此类技术将无法直接观察。PET/CT 的敏感性远高于常用于猕猴研究的 X 射线技术，能够提供结构、空间和功能信息。上述分析方法具有多种实际应用，例如监测疾病进展、评估药物治疗效果，以及识别复燃的风险因素6,10,11,13。
通过比较对照组和实验组中肉芽肿的扩散情况以及各病灶的氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取水平，不仅可确定感染的具体位置，还可追踪疾病的播散过程25例如，在Coleman等人描述食蟹猴早期感染的研究中，通过追踪感染进展，可以判断动物体内的感染是会持续活跃并恶化，还是会被免疫系统控制即 潜伏性结核感染（LTBI）<s...

Mycobacterium tuberculosis 已困扰人类数千年，目前仍是全球导致死亡人数最多的单一传染性病原体。2015年，全球报告的结核病（TB）新发病例达1050万例1，其中大多数病例来自印度、印度尼西亚、中国、尼日利亚、巴基斯坦和南非。据估计，同期全球因结核病死亡人数约为140万，这一数值比100年前的死亡率下降了近25%。尽管药物敏感型结核病可治愈，但治疗方案疗程长，需联合使用多种药物，患者依从性成为一大问题。2015年，耐多药（MDR）结核分枝杆菌株导致的新发结核病例约达58万例。目前对M. tuberculosis耐多药菌株感染患者的治疗成功率估计仅为50%左右。更令人担忧的是广泛耐药（XDR）M. tuberculosis菌株的出现，其对几乎所有可用药物均产生耐药性。因此，结核病研究领域亟需开发新技术，以提升结核病的诊断能力，加深对疾病过程免疫学机制的理解，并推动新型治疗方法和预防策略（包括抗生素治疗方案和疫苗有效性研究）的筛选。
M. tuberculosis 是一种需氧的抗酸杆菌，其物理特征为具有非常复杂的外层细胞壁和缓慢的生长动力学。感染通常通过吸入含有细菌的气溶胶液滴而发生，这些液滴由有症状的感染者在咳嗽、打喷嚏或唱歌时排出。在暴露后发生感染的个体中，仅有 5 - 10% 会发展为活动性临床结核病。其余约 90% 的感染者则表现为一系列无症状感染，其范围从亚临床感染到完全无疾病状态，临床上均归类为潜伏性结核感染（LTBI）2,3。在患有此类无症状感染的人群中，约有 10% 在其一生中会因体内潜伏感染的再激活而发展为活动性结核病。如果无症状感染者同时感染 HIV 或接受免疫抑制药物（如 TNF 抑制剂）治疗，其再激活风险将显著增加4,5,6。活动性结核病同样呈现为一个连续的临床谱，大多数患者表现为肺结核，主要影响肺部和胸内淋巴结。然而，M. tuberculosis 可感染任何器官，因此感染也可能出现在肺外部位。
M. tuberculosis 感染的病理学特征是一种由宿主细胞构成的有序球形结构，称为肉芽肿。巨噬细胞、T细胞和B细胞是肉芽肿的主要组成成分，其中还含有数量不等的中性粒细胞7。肉芽肿的中心通常发生坏死。因此，肉芽肿作为免疫微环境，可杀灭或限制结核杆菌，防止其扩散至肺部其他区域。然而，M. tuberculosis 能够逃避肉芽肿的杀灭作用，并可在这些结构中持续存活数十年。在新近感染或潜伏性结核感染（LTBI）再激活后，对活动性结核病的发生进行持续而规律的监测，既不切实际，又在科学上具有挑战性且耗时。能够在人体及类人动物模型中对这些过程进行纵向研究的技术，对于科学界深入理解 M. tuberculosis 感染与疾病的各种复杂机制极为重要。
PET/CT 是一种极为有用的成像技术，已被用于研究人类和动物模型中的多种疾病状态8正电子发射断层扫描（PET）是一种功能成像技术，利用发射正电子的放射性化合物作为示踪剂。这些放射性同位素通常被修饰至代谢物（如葡萄糖）或靶向基团上，后者设计用于结合特定目标受体。由于PET同位素发射的辐射具有足够强的组织穿透能力，因此可使用极低浓度的示踪剂，从而能够在受体靶向化合物未达到饱和水平时进行研究，并在使用如2-脱氧-2-(18F)氟代-D-葡萄糖（FDG）等示踪剂时，保持足够低的浓度以避免对代谢过程产生影响。18F）氟代脱氧葡萄糖（FDG）。CT 是一种三维X射线成像技术，通过不同水平的X射线衰减来识别体内器官的物理特征9当与PET联合使用时，CT被用作定位图，以确定显示PET放射性示踪剂摄取的具体位置和结构。PET/CT是一种强大的工具，用于 体内 对感染的人类和动物模型进行成像 M. tuberculosis 感染，已为发病机制、药物治疗反应、疾病谱等方面的研究提供了许多重要见解6,10,11,12本研究描述了利用PET/CT对非人灵长类动物模型中的结核病进行纵向分析的特定方法，所用参数包括肉芽肿大小、单个病灶的FDG摄取、全肺及淋巴结的FDG亲和力，以及肺外病变的检出。6,10,11,12.
本文描述了在非人灵长类动物（NHPs），特别是食蟹猕猴中进行成像分析的方法学，用于在感染后纵向评估疾病进展和药物治疗效果 M. tuberculosis非人灵长类动物是一种有价值的动物模型，因为当接种低剂量时 M. tuberculosis Erdman 菌株感染后，动物表现出多种疾病结局，约 50% 发展为活动性结核病，其余动物则呈现无症状感染（即 控制感染，潜伏性结核感染（LTBI），提供了最接近人类临床疾病谱的模型3,13,14,15,16. 活动性结核潜伏感染（LTBI）在猕猴中的再激活由与人类再激活相同的诱因引发，例如人类免疫缺陷病毒（HIV，使用猴免疫缺陷病毒（SIV）作为猕猴中的HIV模型）、CD4+细胞耗竭或肿瘤坏死因子（TNF）中和13,16此外，猕猴表现出的病理特征与人类极为相似，包括在肺部或其他器官中形成的结构化肉芽肿17因此，该模型为深入了解宿主与病原体之间的基本相互作用提供了重要线索 M. tuberculosis 感染，以及关于结核病药物治疗方案和疫苗的宝贵知识14,18,19,20,21.
PET/CT成像能够追踪单个肉芽肿的出现、分布及进展过程。该研究主要采用氟脱氧葡萄糖（FDG）作为示踪剂，作为一种葡萄糖类似物，FDG可被代谢活跃的宿主细胞（如巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞）摄取8，均位于肉芽肿内。因此，FDG可作为宿主炎症的替代指标。本文详述的分析流程使用OsiriX软件，这是一款广泛使用的DICOM图像查看器，可购买并用于图像分析。所描述的图像分析方法可追踪病灶的形态、大小及代谢活性（通过 随时间推移对单个肉芽肿的FDG摄取进行成像分析，并利用影像作为动物尸检时定位特定病灶的参考图谱。此外，已开发出另一种方法，用于量化肺部FDG摄取总和（以标准摄取值SUV ≥ 2.3为阈值），并利用该数值评估从疫苗试验到共感染模型等不同研究中对照组与实验组之间的差异。这些数据表明，肺部FDG摄取的总体测量值与细菌负荷相关，因而可反映疾病状态。类似分析亦可用于胸腔淋巴结的FDG摄取，以研究疾病的进展过程。以下方案详细描述了从动物感染到影像分析的完整实验流程。

<table><tbody><tr><td>氯胺酮</td><td>Henry Schein</td><td>23061</td><td>Henry Schein</td></tr><tr><td>替拉唑尔</td><td>Zoetis</td><td>4866</td><td>Henry Schein</td></tr><tr><td>塞他卡因</td><td>Patterson Vet Generics</td><td>07-892-6862</td><td>Patterson</td></tr><tr><td>无菌生理盐水</td><td>Hospira</td><td>07-800-9721</td><td>Patterson</td></tr><tr><td>7H11 琼脂</td><td>BD</td><td>283810</td><td>BD Biosciences</td></tr><tr><td>静脉导管</td><td>Surflash</td><td>07-806-7659</td><td>Patterson</td></tr><tr><td>18F-FDG</td><td>Zevacor</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>气管插管</td><td>Jorgensen Labs Inc</td><td>07-887-0284</td><td>Patterson</td></tr><tr><td>人工泪液</td><td>Patterson Vet Generics</td><td>07-888-1663</td><td>Patterson</td></tr><tr><td>异氟烷</td><td>Zoetis</td><td>07-806-3204</td><td>Patterson</td></tr><tr><td>Neurologica Ceretom CT</td><td>Samsung Neurologica</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>西门子 Focus 220 microPET</td><td>Siemens Molecular Imaging Systems</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Inveon 研究软件</td><td>Siemens Molecular Imaging Systems</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>OsiriX</td><td>Pixmeo</td><td>N/A</td><td></td></tr></tbody></table>

分析 18fdg pet/ct 成像作为研究工具 结核分枝杆菌 非人灵长类动物的感染与治疗

Analysis of 18FDG PET/CT Imaging as a Tool for Studying Mycobacterium tuberculosis Infection and Treatment in Non-human Primates

Mycobacterium tuberculosis 目前仍是全球头号传染性病原体。随着耐药菌株的出现，亟需开发新的、具有临床相关性的方法，以评估疾病进程并筛选潜在的抗生素和疫苗治疗方案。正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）已被确立为研究多种疾病（如癌症、阿尔茨海默病以及炎症/感染）的重要工具。本文概述了若干已用于评估经支气管低剂量感染M. tuberculosis的食蟹猴PET/CT图像的策略。通过分析CT图像中病灶的大小以及PET图像中病灶和淋巴结对18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）的摄取情况，这些方法表明，PET/CT成像可预测活动性结核病与潜伏性结核病的未来发展，以及从潜伏感染状态发生再激活的可能性。此外，通过分析肺部整体炎症水平，这些方法可在目前最具临床相关性的动物模型中评估抗M. tuberculosis药物的抗生素疗效。这些影像分析方法是抗击该疾病最强大的工具之一，不仅能够评估感染和药物治疗的多种特征，还可直接转化应用于临床，服务于人类研究。

单个病灶的鉴定与分析
可通过定性观察单个肉芽肿的数量、大小及氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取情况，以了解感染过程的整体范围（图1）。利用这些影像，随时间推移对肉芽肿进行计数可作为疾病扩散的定量指标。图2展示了10只动物随时间变化的单个肉芽肿计数结果。在这10只动物中，3只发展为活动性结核病，6只发展为潜伏感染。1只动物未表现出活动性疾病的迹象，但在胃抽吸物和/或支气管肺泡灌洗样本中偶尔培养出M. tuberculosis，属于介于活动性与潜伏性之间的疾病谱系，因此在本实验分析中被剔除。在3只发展为活动性疾病的动物中，有1只在感染后12周时发展为粟粒性结核病并被实施安乐死（在图2中以TNTC [Too Numerous To Count] 标识）。...

本文介绍了一种用于分析感染结核分枝杆菌（M. tuberculosis）的非人灵长类动物的18F-FDG PET/CT影像的实验方案，以研究疾病进程、药物治疗及疾病再激活过程。

分析 18FDG PET/CT 成像作为研究工具 结核分枝杆菌 非人灵长类动物的感染与治疗

结核分枝杆菌至今仍是全球首要的感染性病原体。随着耐药菌株的出现，临床上迫切需要新的……

本正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）图像分析方法的总体目标是研究非人灵长类动物中结核分枝杆菌感染的疾病进程及潜在治疗手段。该方法有助于解答结核病研究中的关键问题，包括感染部位随时间的变化、潜伏感染的再激活以及特定治疗方案的效果。该技术的主要优势在于，无需进行周期性动物尸检，即可实时追踪结核分枝杆菌的感染过程及治疗反应。首先将配准好的PET/CT图像导出至相应的软件，并在软件数据库中以轴向视图打开图像。点击CT扫描图像，将窗位和窗宽调整为肺部CT模式。此时肺组织将显示为暗色，解剖结构则呈现较亮的影像，其中气道为黑色，血管系统为白色。每次聚焦一个叶段，滚动融合的PET/CT图像以识别病灶。可通过将光标悬停在待判断结构上并上下滚动一到两个层面，以区分小病灶与血管。若该结构始终位于光标下方，则为病灶。为测量感兴趣病灶的大小，需去除PET信号，仅保留可见的CT图像，并选择长度测量工具。滚动切片至显示病灶最大截面的层面，沿病灶最长径画一条直线。该感兴趣区域所包含的数据将表示病灶直径的毫米长度。在窗位、窗宽和颜色查找表菜单中，选择“设置窗位”和“窗宽”，在窗位、窗宽的下拉菜单中手动设置，并在对话框中将“从”设为 0，将“到”设为 20。从鼠标按钮功能工具的下拉菜单中选择椭圆工具，滚动至病灶区域以评估组织中最致密的部分。然后在病灶周围绘制一个椭圆，以获取该区域内所有特定阈值水平的体素描述性统计信息。为了测量全肺的氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取活性，可在CT扫描图像上任意位置点击。在“感兴趣区域”下拉菜单中，选择“生长区域2D/3D分割”，并将下限阈值设为1024，上限阈值设为200。设置好阈值后，点击肺部内部任意位置，即可使整个层面以绿色高亮显示。在分割参数对话框中，单击“计算”以将生长区域从一个切片扩展到整个肺部体积。接下来，单击 CT 扫描名称左侧的小图标，并将该图标拖动到 PET 扫描上。然后，选择“复制感兴趣区域”以将肺部分割结果叠加到 PET 扫描上。为了填补肺部在PET扫描中显示为间隙的高密度区域。在“感兴趣区域”下拉菜单中，选择“画笔感兴趣区域”和“闭合”。在弹出窗口中，将滑块箭头移动至3，使框的顶部显示为“结构元素半径3”，并勾选“应用于所有同名感兴趣区域”。根据需要手动闭合任何剩余的间隙。当 PET 扫描中整个肺部均可见时，删除肺部区域外的所有像素，打开感兴趣区域菜单并选择“设置像素值”，勾选“感兴趣区域外部”复选框，将感兴趣区域外的所有像素值设置为零。为了分离出高代谢“病变”，再次选择“设置像素值”并勾选“感兴趣区域内”复选框，点击结束框，使所有介于零到 2.3 之间的值均设为零。为了确保仅测量疾病病变，在“感兴趣区域”菜单下，选择删除本序列中的所有感兴趣区域，并进行2D 3D分割区域生长。将下限阈值更改为2.3，上限阈值更改为100，然后滚动浏览整个PET窗口，单击任何疾病病变区域并进行计算。对每一处心脏病灶区域重复此操作后，打开“感兴趣区域”菜单，选择保存感兴趣区域，以保存整个肺部的感兴趣区域。然后将原始数据值导出到电子表格中。为了确定“热”淋巴结中的FDG摄取情况，选中PET/CT融合图像，在工具栏中打开颜色查找表下拉框，并选择UCLA查找表设置。要围绕目标淋巴结手动绘制感兴趣区域，请单击主工具栏中鼠标功能右侧的下拉菜单，然后选择闭合多边形。点击淋巴结边缘以确定感兴趣区域的第一个点，继续点击并勾勒组织片段，直至几乎完全包围整个淋巴结。然后双击以闭合感兴趣区域，并在单独的电子表格中记录具体的阈值。为了标准化疾病病理的FDG数据值，点击配准的PET和CT图像并滚动浏览，直到找到包含主支气管汇合处的切片为止。使用椭圆工具在背部肌肉以及脊柱后侧和外侧的肌肉上绘制大小相近的感兴趣区域，以获得背景特异性的阈值。将共配准的PET/CT扫描图像左侧的图标拖动至PET窗口，并选择、复制这些感兴趣区域。这些感兴趣区域应出现在PET扫描图像窗口中。在主菜单下方，选中模式复选框，并确保下拉菜单中已选择“最大强度投影”。然后确认厚层滑动标尺设置为 10，并在新的电子表格中记录两个感兴趣肌肉区域的平均特异性阈值。可对单个肉芽肿进行定性观察，包括其数量、大小和氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取情况，以了解感染过程的整体范围。通过随时间对图像中的肉芽肿进行计数，可以定量评估疾病的扩散情况。例如，在本项代表性实验的10只动物中，有3只发展为活动性结核病，6只发展为潜伏感染。自感染后第六周起，那些后续将发展为活动性疾病的动物，其肉芽肿数量在统计学上显著高于将发展为潜伏感染的动物。在所有活动性感染的动物中，感染后三至六周，每个肉芽肿的FDG摄取量均有所增加。而在进入潜伏期的动物中，FDG摄取量则表现出差异，部分病灶在此期间摄取量增加、减少或保持不变。尽管在感染后三周时，活动性感染动物与潜伏感染动物的纵隔淋巴结FDG摄取水平相似，但活动性感染动物的淋巴结在六周、八周和十二周时表现出显著更高的摄取水平。事实上，在本实验中，总肺部FDG亲和力较高的动物整体更易发生再激活，超过90%的动物表现出肺部FDG亲和力超过1×10³，或在肿瘤坏死因子中和后出现至少一个扫描可见的肺外感染灶再激活。一旦掌握，若操作得当，根据疾病严重程度的不同，每只动物的该技术可在一至三小时内完成。在实施该过程时，需注意细节，并始终保存感兴趣的区域。完成该步骤后，可进行其他评估，例如测定免疫学和细菌学参数，以进一步探究肉芽肿大小和标准摄取值（SUV）与感染结局之间的关系。该技术建立后，为结核病领域的研究人员在多种非人灵长类动物中评估特定治疗方法和疫苗提供了可能。观看本视频后，您应能够较好地掌握如何对结核分枝杆菌感染的非人灵长类动物进行PET/CT扫描的定性与定量评估。请务必注意，结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）的操作具有极高危险性，在对感染的非人灵长类动物进行影像学检查时，必须采取相应防护措施，例如穿戴符合生物安全三级（BSL-3）要求的个人防护装备（PPE），并严格遵循经批准的操作规程。

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Immunology and Infection

免疫学与感染

分析18葡萄糖 PET/CT 成像作为研究结核分枝杆菌感染和治疗非人类灵长类动物的工具

本文描述了一种对小鼠棕色脂肪组织（BAT）进行功能成像的方法，该方法采用标准化的微型PET/CT方案，无创地评估寒冷刺激下BAT对18F-氟代脱氧葡萄糖（FDG）的摄取。该方法具有良好的稳健性和灵敏度，可检测小鼠模型中BAT活性的差异。...

小鼠棕色脂肪功能成像的18F-FDG 微型PET/CT研究

本文介绍了使用放射性示踪剂18F-FDG通过正电子发射断层扫描（PET）和计算机断层扫描（CT）对癌组织进行多模态成像。具有高糖酵解活性的癌组织会摄取更多的18F-FDG。...

基于FDG的PET/CT扫描：一种利用放射性示踪剂无创成像肿瘤代谢的方法

本视频展示了一种用于检测肺外结核病的技术。将偶联了针对Mycobacterium特异性抗体的超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米探针注射到先前感染了Mycobacterium bovis...

一种通过超顺磁性纳米探针检测肺外结核病的技术

本文所述方法采用18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET-CT）以及脂肪-水分离磁共振成像（MRI），在成年受试者分别暴露于热中性（24 °C）和寒冷（17...

通过正电子发射断层扫描/计算机断层扫描及配准磁共振图像自动分割的人类棕色脂肪组织库

我们描述了利用报告酶荧光（REF）对感染结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，M. tuberculosis）的小鼠进行光学成像的方法。该方案有助于在结核病发病机制、治疗及疫苗研究的临床前动物模型中，实现对M.

成像 结核分枝杆菌 在携带报告酶荧光的小鼠中

在本方案中，我们描述了如何利用[18F]-2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖正电子发射断层扫描与计算机断层扫描（18F-FDG PET/CT）成像来测量肿瘤对靶向治疗MLN0128的代谢反应 Kras/Lkb1 肺癌突变小鼠模型及高分辨率成像联用 离体...

利用18F-FDG PET/CT成像与定量组织学方法测量肺癌小鼠模型中葡萄糖代谢的动态变化

本文介绍了通过将H2052/484间皮瘤细胞植入免疫缺陷裸鼠的胸膜腔，建立人恶性胸膜间皮瘤原位小鼠模型的方法。采用无创的多模态[18F]-2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖正电子发射断层扫描与计算机断层成像技术，对胸膜内肿瘤的发展进行纵向监测。...

在裸鼠中建立人源性胸膜间皮瘤原位模型及其通过PET/CT的植入与监测

本文详细介绍了对一种人源特异性抗CD19单克隆抗体进行放射性标记的方法，以及如何利用该标记抗体在多发性硬化小鼠模型中定量中枢神经系统及外周组织中的B细胞 体内 PET成像， 离体...

使用正电子发射断层扫描在实验性自身免疫性脑脊髓炎小鼠模型中成像 CD19+ B 细胞

本方案描述了进行以下操作的步骤 体内 使用G8...

用于小鼠基于云的自动化图像分析的动物体模适配型临床前正电子发射断层扫描

本文介绍了一种利用永久性肺窗对小鼠肺部经减毒且获得生物安全二级（BSL-2）许可的结核分枝杆菌（Mycobacterium...

衰减营养缺陷型的活体成像 结核分枝杆菌 小鼠肺脏在早期血管内感染期间的变化

学习使用¹⁸F-FDG PET/CT成像技术分析非人类灵长类动物的结核分枝杆菌感染进程、治疗效果及潜伏再激活情况。该方法可实现实时无创监测，无需定期解剖动物即可追踪病灶动态变化。

分析 ¹⁸FDG PET/CT 成像作为研究工具结核分枝杆菌非人灵长类动物的感染与治疗

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分析 18FDG PET/CT 成像作为研究工具 结核分枝杆菌 非人灵长类动物的感染与治疗

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