Positronen-Emissions-Tomographie: Bildgebung des menschlichen Gehirns mit Hilfe eines Radiotracers

Zusammenfassung

Quelle: Jamadar, S. et. al. Radiotracer-Gabe für die Positronen-Emissions-Tomographie des menschlichen Gehirns mit hoher zeitlicher Auflösung: Anwendung auf FDG-fPET. J. Vis. Exp. (2019)

Dieses Video zeigt die Quantifizierung des Glukosestoffwechsels im Gehirn mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Dem Teilnehmer wird während des Scans der Tracer F-18 Fluordesoxyglucose (FDG) infundiert. FDG reichert sich in aktiven Neuronen an und emittiert Positronen beim Zerfall von F-18. Diese Positronen interagieren mit Elektronen und erzeugen Photonen, die vom PET-Scanner erfasst werden, um hochauflösende Karten der Gehirnaktivität zu erstellen.

Protokoll

Alle Eingriffe, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt sind, wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

1. Erforderliche Ausrüstung und Personal

1. Siehe Materialtabelle für den Scannerraum, das Radiochemielabor und die allgemeinen Materialien. Für den Radiotracer wurde ein kommerzieller Anbieter eingesetzt.
2. In der simultanen Magnetresonanztomographie - Positronen-Emissions-Tomographie (MRT-PET) setzen Sie vier Personen ein: einen Röntgenassistenten (RG), der den Scan durchführt, einen Nuklearmediziner (NMT), der die Verabreichung des Radiotracers und die Entnahme von Blutproben überwacht, einen Laborassistenten (LA) für das Schleudern von Blut und einen Forschungsassistenten (RA), der für die Überwachung des Versuchsdesigns und der Stimuluspräsentation verantwortlich ist.

2. Vorbereitung

Vorbereitung der

1. Tracer-Dosis mit dem NMT
   1. Berechnen Sie das Infusionsvolumen, das im Verlauf des Scans verabreicht wird. In diesem Protokoll beträgt die Infusionsrate 0,01 ml/s über 95 min. In einem 95-minütigen Scan erhalten die Teilnehmer also 0,01 mL/s x 60 s x 95 min = 57 mL.
   2. Berechnen Sie die Tracer-Dosis, die in die verabreichte Kochsalzlösung verdünnt wird. In diesem Protokoll wird dem Teilnehmer eine Gesamtdosis von 260 MBq über 95 Minuten verabreicht. Diese Dosis wurde gewählt, um die Strahlenbelastung auf 4,9 mSv zu begrenzen und damit innerhalb der Einstufung als "geringes Risiko" gemäß den Richtlinien der Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (ARPANSA) für die Exposition von Menschen gegenüber ionisierender Strahlung zu bleiben. Zerfallskorrektur von 260 MBq ab dem mittleren Infusionspunkt (47,5 min) zurück auf T0. Löse mit Gleichung 1 nach A₀ wobei A_t die Radioaktivität (MBq) zur Mitte der Infusion ist, A₀ die anfängliche Radioaktivität und λ die für den Tracer spezifische radioaktive Zerfallskonstante. Für FDG beträgt der Wert von λ ≈ 0,693/T_1/2. T_1/2 ist die Halbwertszeit von ¹⁸F (110 min).
      HINWEIS: In diesem Beispiel ist A_t = 260 MBq, λ = 0,693/110 und t = -47,5, also A₀ = 350,942 MBq.
   3. Berechnen Sie die erforderliche Radiotracer-Dosis für den 100-ml-Kochsalzbeutel, der zur Verabreichung der Dosis an den Teilnehmer verwendet wird. Der benötigte Radiotracer für den Kochsalzbeutel wird auf ein Gesamtvolumen von 5 mL verdünnt und in einer 5 mL-Spritze aufgezogen. Daher ist der Verdünnungsfaktor für den 100-ml-Kochsalzbeutel das Volumen der Kochsalzlösung (100 ml) zusätzlich zu dem 5-ml-Volumen der Spritze mit Radiotracer. Dieses Gesamtvolumen von 105 mL wird durch das Infusionsvolumen von 57 mL dividiert (d. h. 105 mL/57 mL = 1,842). Die Gesamtradioaktivität in einem Volumen von 5 ml, die für die Zugabe zum 100-ml-Beutel erforderlich ist, beträgt also A₀ x den Verdünnungsfaktor (d. h. 350,942 MBq x 1,842 = 646,44 MBq). Geben Sie den Radiotracer aseptisch in den Kochsalzbeutel.
      HINWEIS: Es ist wichtig zu beachten, dass die berechnete Aktivität von 646,44 MBq, die dem Kochsalzbeutel zugesetzt wird, die Aktivität ist, die zu Beginn der Infusion erforderlich ist. Im Allgemeinen werden die Dosen für dieses Protokoll zwischen 15 Minuten und 1 Stunde vor der Verabreichung zubereitet. Daher ist es wichtig, den Zerfall des Radioisotops zu berücksichtigen. Gleichung 1 in 2.1.2. kann verwendet werden, um dies zu berücksichtigen, wobei die Zeit (t) die Gesamtzahl der Minuten von der Zubereitung der Dosis bis zum Zeitpunkt der Verabreichung der Aktivität ist, A_t = 646,44 MBq, indem A₀ aufgelöst wird.
   4. Bereiten Sie die Grunddosis vor. Ziehen Sie 20 ml aus dem Beutel in eine Spritze und verschließen Sie sie. Kalibrieren Sie diese 20-ml-Spritze und etikettieren Sie sie. Die Spritze wird als Referenzkontrolle kalibriert, um sicherzustellen, dass die Radioaktivität gleichmäßig im Kochsalzbeutel verteilt ist.
   5. Bereiten Sie die Dosis vor. Nehmen Sie mit einer 50-ml-Spritze 60 mL aus dem Beutel und verschließen Sie ihn mit einem roten Kombistopfen. Diese Spritze ist nicht kalibriert, da die Konzentration der Radioaktivität ab dem Zeitpunkt der Zugabe in den Kochsalzbeutel (Schritt 2.1.3) bekannt ist. Bewahren Sie beide Spritzen im radiochemischen Labor auf, bis sie zum Scannen bereit sind.
      HINWEIS: Es ist möglich, ein Volumen von 60 ml in einer 50-ml-Spritze zu entnehmen, da Terumo-Spritzen zu 20 % über dem markierten Volumen markiert sind (d. h. eine 50-ml-Spritze ist auf 60 ml gekennzeichnet).
   6. Bereiten Sie die Referenzdosis vor. Einen 500-ml-Meßkolben wird mit ca. 480 mL destilliertem Wasser gefüllt. 10 MBq ¹⁸F Fluordesoxyglucose (¹⁸F-FDG) werden in eine Spritze gegeben, zerfallskorrigiert auf die Startzeit des Scans (unter Verwendung von Gleichung 1) und in den Kolben gegeben. Füllen Sie das Volumen bis zur 500-ml-Marke mit mehr destilliertem Wasser auf und mischen Sie es gründlich. Bringen Sie Etiketten vor und nach der Kalibrierung auf der Spritze an.
2. Vorbereitung des Scannerraums durch den NMT
   1. Sobald der Teilnehmer im Scanner positioniert ist, gibt es nur sehr wenig Spielraum, um die Leitung für Infusions- oder Blutproben zu manipulieren oder zu bergen, wenn eine Verstopfung auftritt. Bereiten Sie den Scannerraum vor, um die Gefahr einer Leitungsverstopfung zu minimieren.
   2. Stellen Sie sicher, dass sich alle Blutentnahmegeräte in Reichweite der Entnahmestelle befinden. Legen Sie die Unterlagen an das Ende der Kanüle und auf jede Oberfläche, auf der Blutbehälter aufbewahrt werden. Stellen Sie Behälter für Normalabfall und biologisch gefährliche Abfälle in Reichweite der Blutentnahmestelle auf.
3. Vorbereitung der Infusionspumpe durch den NMT
   Stellen
   1. Sie die Infusionspumpe im Scannerraum auf der Seite auf, die mit dem Teilnehmer verbunden wird. Baue Bleiziegel um den Boden der Pumpe und platziere den Bleischild vor der Pumpe. Schließen Sie den Schlauch für die Infusionspumpe an, die die Infusion an den Teilnehmer abgibt, und stellen Sie sicher, dass die richtige Infusionsrate eingegeben wurde. Für dieses Protokoll beträgt die Rate 0,01 ml/s.
   2. Grundieren Sie den Schlauch, bevor er mit der Kanüle des Teilnehmers verbunden wird. Schließen Sie die 20-ml-Grunddosis an die Infusionspumpe an. Befestigen Sie am Ende des Schlauchs, der mit dem Teilnehmer verbunden wird, einen Drei-Wege-Hahn und eine leere 20-ml-Spritze. Stellen Sie sicher, dass der Hahn so positioniert ist, dass die ¹⁸F-FDG-Lösung aus der Anfangsdosis durch den Schlauch fließen und sich nur in der leeren Spritze sammeln kann.
   3. Stellen Sie die Infusionspumpe so ein, dass sie ein Volumen von 15 ml ansaugt. Wählen Sie die Prime-Taste an der Pumpe und befolgen Sie die Anweisungen, um die Leitung zu entlüften.
   4. Befestigen Sie die 50-ml-Dosisspritze an der Infusionspumpe anstelle der Grunddosis. Die 15 mL Grunddosis am Dreiwegehahn kann dort verbleiben, bis der Teilnehmer bereit ist, an die Pumpe angeschlossen zu werden.
4. Vorbereitung der Teilnehmer durch NMT, RA und RG
   1. Raten Sie den Teilnehmern, vor dem Scan 6 Stunden lang zu fasten und nur Wasser (ca. zwei Gläser) zu sich zu nehmen.
   2. Lassen Sie die RA die Einwilligungsverfahren durchführen und zusätzliche Maßnahmen (z. B. demografische Erhebungen, kognitive Batterien usw.) einholen. Lassen Sie das NMT und die RG die Sicherheitsscreenings durchführen, die NMT überprüft die Sicherheit für PET-Scans (z. B. Ausschluss für Schwangerschaft, Diabetes, Chemotherapie oder Strahlentherapie in den letzten 8 Wochen und bekannte Allergien) und die RG überprüft die Sicherheit der Teilnehmer für MRT-Scans (z. B. Ausschluss für Schwangerschaft, medizinische oder nicht-medizinische Metallimplantate, nicht herausnehmbare Zahnimplantate, Klaustrophobie).
   3. Kanülieren Sie den Teilnehmer.
      1. Verwenden Sie zwei Kanülen: eine für die Dosisverabreichung und die andere für die Blutprobenahme. Die am besten geeignete Kanüle variiert von Teilnehmer zu Teilnehmer, aber die am besten geeignete Vene sollte für die Blutentnahme reserviert sein. Eine 22 G Kanüle ist die bevorzugte Mindestgröße. Entnehmen Sie während der Kanülierung eine 10-ml-Blutprobe zu Studienbeginn. Trennen Sie alle Kochsalzspülungen unter Druck, um die Durchgängigkeit der Leitung zu erhalten.
      2. Testen Sie den Blutzuckerspiegel des Teilnehmers und andere Blutwerte zu Studienbeginn (z. B. Hämoglobin) aus der Ausgangsprobe.
5. Positionierung des Teilnehmers im Scanner durch das RG und NMT
   1. Lassen Sie den Teilnehmer in der Scannerbohrung durch den RG positionieren. Bei langen Scans ist es unerlässlich, den Komfort zu gewährleisten, um das Risiko eines Ausscheidens des Teilnehmers und von Bewegungsartefakten aufgrund von Beschwerden zu verringern. Der Teilnehmer sollte mit einer Einwegdecke bedeckt sein, um eine angenehme Körpertemperatur zu halten.
   2. Lassen Sie die Kanüle mit dem NMT spülen, um sicherzustellen, dass sie transparent ist und einen minimalen Widerstand aufweist, bevor Sie die Infusionsleitung anschließen. Nach dem Anschließen kann der Schlauch in der Nähe des Handgelenks leicht mit Klebeband versehen werden. Weisen Sie den Teilnehmer an, den Arm gestreckt zu halten. Verwenden Sie Stützen wie Schaumstoff oder Kissen für mehr Komfort. Lassen Sie das NMT auch die Kanüle überprüfen, die für Plasmaproben verwendet wird, um sicherzustellen, dass es in der Lage ist, Blut mit minimalem Widerstand zu entnehmen. Es kann erforderlich sein, einen mit normaler Kochsalzlösung grundierten Verlängerungsschlauch anzuschließen, um die Kanüle besser zugänglich zu machen, während sich der Teilnehmer im Scanner befindet. Wenn dies erforderlich ist, sollte es auf Dichtheit überprüft werden.
   3. Sobald sich das Subjekt in der Scannerbohrung befindet, lassen Sie das NMT überprüfen, ob es einen geeigneten Zugang zu beiden Kanülen hat.
   4. Lassen Sie das NMT das RG und die RA benachrichtigen, wenn es während des Scans jederzeit Probleme mit der Blutentnahmekanüle, der Infusionskanüle oder der Infusionspumpe gibt (z. B. Okklusion, Batterie, Extravasation).

3. Scannen Sie den Teilnehmer

1. Starten Sie den Scan mit NMT, RG und RA
   1. Platzieren Sie zu Beginn des Scans den NMT im Scannerraum, um das Infusionsgerät zu überwachen. Stellen Sie sicher, dass der NMT einen Gehörschutz trägt und den Barriereschild verwendet, um die Strahlenbelastung durch die Dosis nach Möglichkeit zu minimieren.
   2. Während das RG den Localizer-Scan durchführt, um sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer in der richtigen Position befindet, überprüfen Sie die Details für die PET-Erfassung (z. B. Scandauer, Datenerfassung im List-Modus, korrektes Isotop).
   3. Gestalten Sie das Protokoll so, dass die PET-Aufnahme mit der ersten MRT-Sequenz beginnt. Das RG bereitet die MRT-Sequenz vor und startet sie. Die Startzeit der 95-minütigen PET-Aufnahme ist zeitlich an den Beginn der MRT-Sequenz gebunden. Falls erforderlich, sollte der NMT den Bolus zum Zeitpunkt der PET-Entnahme abgeben (Abbildung 1).
   4. Starten Sie die Infusionspumpe. Das RG sollte dem NMT (z.B. über ein Daumen-hoch-Zeichen) signalisieren, die Pumpe 30 s nach dem Start der PET-Aufnahme zu starten. Dieses Protokoll startet die Infusionspumpe 30 s nach der Startzeit des Scans, um einen Sicherheitspuffer für den Fall eines Scanfehlers bereitzustellen. Dies stellt auch sicher, dass das erste Bild, das während des PET-Scans aufgenommen wurde, das Gehirn vor der Verabreichung des Radiotracers indiziert, um eine vollständige Datenerfassung der Zeit-Aktivitätskurve zu ermöglichen. Lassen Sie das NMT die Pumpe beobachten, um sicherzustellen, dass sie mit der Infusion des ¹⁸F-FDG begonnen hat und dass es zu keinem unmittelbaren Verschluss der Leitung kommt.
   5. Lassen Sie die RA zum vereinbarten Zeitpunkt (d. h. zu Beginn eines Funktionslaufs/Versuchsblocks) einen externen Stimulus initiieren und berechnen Sie die Zeiten für Blutproben. Lassen Sie den RA die vorhergesagte Zeit jeder Blutprobe berechnen und stellen Sie dem NMT und dem Laborassistenten (LA) Kopien zur Verfügung. Lassen Sie die RA sicherstellen, dass das NMT die Blutproben ungefähr zum richtigen Zeitpunkt entnimmt und die Geräte (z. B. Infusionspumpe, Stimulus) auf Anzeichen von Fehlern überwacht.

Ergebnisse

Abbildung 1: Flussdiagramm der Verfahren für FDG-fPET-Experimente. Oben: Verfahren für das Prescreening von Teilnehmern vor der Rekrutierung von Studien. Unten: Verfahren für die Protokolle nur Bolus (links), nur Infusion (Mitte) und Bolus/In...

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