Das menschliche Gehirn ist ein starker Verbraucher von Sauerstoff und Glukose für den Stoffwechsel. Ein Teil des Glukosestoffwechsels im gesunden menschlichen Gehirn findet außerhalb des Sauerstoffverbrauchs statt, die als aerobe Glykolyse (AG) des Gehirns bekannt ist und deren Zwecke intensiv untersucht werden 1,2,3,4,5. Frühere Studien an Tiermodellen und Menschen berichten über einen Zusammenhang zwischen AG und Entwicklung und Alterung, synaptischer und Neuritenentwicklung, Gedächtnis, Amyloidablagerung bei der Alzheimer-Krankheit und Funktion und Krankheit der weißen Substanz 1,6,7,8,9,10,11,12,13 . Daher besteht ein anhaltendes Interesse an der Erforschung von AG und anderen Aspekten des Gehirnstoffwechsels, um das menschliche Gehirn besser zu verstehen, wenn es altert und Verletzungen und Krankheiten erleidet.
Gegenwärtig erfordern Methoden zur Bewertung der AG des menschlichen Gehirns in vivo eine PET-Bildgebung mit mehreren Sauerstoff- und Glukoseradiotracern, um den zerebralen Stoffwechsel von Glukose (CMRGlc)14, den zerebralen Stoffwechsel von Sauerstoff (CMRO2)15, den zerebralen Blutfluss (CBF)16 und das zerebrale Blutvolumen (CBV)17 zu messen. Neben der Bildgebung erfordert die quantitative Messung des Hirnstoffwechsels mit PET andere Komplexitäten, einschließlich der Bewertung der arteriellen Eingangsfunktion, typischerweise durch invasive arterielle Kanülierung und Probenahme; Sicherstellung, dass die Teilnehmer die Anweisungen für die Inhalation von Radiotracern genau befolgen und gleichzeitig die Kopfbewegung einschränken; sicherer und effektiver Umgang mit Radiotracern mit sehr kurzen Halbwertszeiten (2 min); Verwaltung großer Datensätze; und Durchführung fortschrittlicher Analysemethoden zur genauen Berechnung von Stoffwechselparametern. Bemerkenswert sind auch die Einschränkungen bei der Verwendung von [18F]FDG für die Schätzung von CMRGlc 5,14.
Dieses Protokoll befasst sich mit praktischen Fragen, die unserer Erfahrung nach für die erfolgreiche Messung des quantitativen Hirnstoffwechsels am wichtigsten sind. Dieses Protokoll enthält eine Beschreibung der wichtigsten Verfahren und Warnhinweise zur Vermeidung häufiger Fehler. Es wird eine sorgfältige Diskussion allgemeinerer Prinzipien des Stoffwechsels, der Neurowissenschaften, der Bildgebung, der Tracer-Kinetik und der Methoden der Inferenz aus der Radiotracer-PET-Bildgebung aufgeschoben. Die Zielgruppe umfasst sowohl Neulinge in der Stoffwechselmessung mit PET als auch erfahrenere PET-Forscher und Kliniker, die am Einsatz von 15-O-Radiotracern interessiert sind. Dieses Protokoll setzt die Vertrautheit mit bildgebenden Untersuchungen am Menschen, invasiven medizinischen Verfahren, Radiotracern und quantitativen Inferenzmethoden voraus. Es gibt zahlreiche, hervorragende Referenzen für die PET-Bildgebung des Gehirns im Allgemeinen18 und für 15O-Sauerstoff-PET im Besonderen19. Für [18F]FDG sowie für andere praktische Fragen der Durchführung von PET bietet das Turku PET Centre wertvolles Referenzmaterial sowie Links zur umfangreichen Primärforschungsliteratur20.
Die Protokollabschnitte beginnen mit relevanten Überlegungen zur Teilnehmerauswahl, die für die Einhaltung der Vorschriften und das erfolgreiche Scannen unerlässlich sind. Als nächstes skizziert das Protokoll Aspekte im Zusammenhang mit dem unterstützenden Scannen mit MRT für die Neuroanatomie. Als nächstes beschreibt das Protokoll klinische Laboraufträge, die Messungen enthalten, die für die Quantifizierung des Sauerstoff- und Glukosestoffwechsels wichtig sind. Als nächstes listet das Protokoll Fragen auf, die das Zyklotron und die Verabreichung von Radiopharmazeutika betreffen. Die Beschreibungen nehmen lediglich die Perspektive von Untersuchern ein, die am Behandlungsort in der Bildgebungseinrichtung arbeiten, und lassen Überlegungen aus, die an die Zyklotroneinrichtungen und das Personal erforderlich sind. Als nächstes beschreibt das Protokoll die Vorbereitung und Behandlung von arteriellen Zugängen. Die Einrichtung und Aufrechterhaltung von arteriellen Zugängen erfordert die Erfüllung institutionenspezifischer Compliance-Kriterien, und das Protokoll beschreibt erfolgreiche Arbeitsabläufe. Als nächstes enthält das Protokoll die wesentlichen Betriebsverfahren für das Scannen mit PET, einschließlich Details zur Positionierung der Teilnehmer, CT zur Dämpfungskorrektur, Verabreichung von Radiopharmazeutika und Durchführung arterieller Messungen. Bei der venösen Probenahme werden mögliche Alternativen zur arteriellen Probenahme bei Messungen der CMRGlc mit [18F]FDG diskutiert. Ein Abschnitt über PET-Bildrekonstruktion und Datenspeicherung beschreibt Softwareparameter und praktische Fragen der Informationstechnologie. Der Abschnitt über die Entlassung und die Nachverfolgung der Teilnehmer enthält wichtige Mitteilungen für die Sicherheit der Teilnehmer. Wichtige Kalibrieraktivitäten werden ebenfalls besprochen. Viele geeignete Analysemethoden und kinetische Modelle sind in veröffentlichten wissenschaftlichen Berichten und ihre zahlreichen Vorläufer gut beschrieben; Somit leitet dieses Protokoll den Leser weitgehend auf Verweise auf veröffentlichte Ansätze weiter. Repräsentative Ergebnisse verdeutlichen die erfolgreiche Implementierung von Protokollen. Der Diskussionsteil befasst sich mit vorteilhaften Aspekten und Grenzen des Protokolls, seinem Potenzial für die menschlichen Neurowissenschaften und Fragen der Sicherheit.