Artículo de método

La determinación de metabolismo de la glucosa Kinetics Uso 18 F-FDG Micro-PET / CT

DOI:

10.3791/55184

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2 de mayo de 2017

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1School of Medical Sciences, Faculty of Medicine, UNSW Australia, 2Department of Nuclear Medicine, Concord Hospital, 3National Imaging Facility, University of Sydney, 4Brain and Mind Centre, University of Sydney, 5Faculty of Health Sciences, University of Sydney, 6Life Sciences, ANSTO, 7CERMEP

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este estudio describe un protocolo que utiliza 18F-FDG e imágenes de tomografía por emisión de positrones/tomografía computarizada (PET/CT), junto con modelos cinéticos, para cuantificar la absorción in vivo y en tiempo real de 18F-FDG en los tejidos.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este artículo describe el uso de 18F-FDG y micro-PET/CT para determinar la cinética del metabolismo de la glucosa in vivo en ratones (y es transferible a ratas). El deterioro de la absorción y el metabolismo de la glucosa en múltiples sistemas de órganos debido a la resistencia a la insulina es un sello distintivo de la diabetes tipo 2. La capacidad de esta técnica para extraer una función de entrada derivada de una imagen de la vena cava utilizando un método de deconvolución iterativa elimina el requisito de la recolección de muestras de sangre arterial. El ajuste de las curvas de actividad del tejido y la vena cava a un modelo de dos tejidos y tres compartimentos permite la estimación de los microparámetros cinéticos relacionados con la absorción de 18F-FDG del plasma al espacio intracelular, la tasa de transporte del espacio intracelular al plasma y la tasa de fosforilación de 18F-FDG. Esta metodología permite múltiples mediciones de la absorción de glucosa y la cinética del metabolismo en el contexto de estudios longitudinales y también proporciona información sobre la eficacia de las intervenciones terapéuticas.

Introducción

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El propósito de este estudio fue desarrollar una tomografía por emisión de positrones / tomografía computarizada (PET / CT) metodología basada cuantificar el, la captación en tiempo real in vivo de glucosa desde el torrente sanguíneo a los tejidos específicos en ratones. Esto se logró usando fluorodeoxiglucosa marcado con F 18 (FDG) para medir la captación de glucosa y modelado cinético para estimar las tasas de captación de 18 F-FDG desde el plasma al espacio intracelular, la tasa de transporte desde el espacio intracelular al plasma y la tasa de 18 fosforilación F-FDG.

En roedores, 18 F-FDG se ha utilizado en la evaluación pre-clínica de numerosos tratamientos para el cáncer 1, estudios de la progresión tumoral 2 y el metabolismo tumor 3, así como formación de imágenes de los depósitos de grasa marrón 4, neuroinflamación 5 y el cerebro metabolismo 6 .

Los métodos tradicionales utilizados para examinar la absorción específica de tejido de la glucosa en ratones (y ratas) generalmente implican el tratamiento con radiomarcado 2-desoxiglucosa, ya sea con 3 H o 14 C seguido de la eutanasia, la recogida de tejidos y la medición de la radiactividad en cada tejido 7. El uso de PET / CT permite la determinación no invasiva de la captación de glucosa y el metabolismo en múltiples órganos y regiones simultáneamente en animales vivos. Adicionalmente, como la eutanasia no es un requisito, esta técnica es adecuada para uso en estudios longitudinales.

Diabetes mellitus tipo 2 (DM2) se caracteriza por un metabolismo alterado de la glucosa y la hiperglucemia secundaria a la reducida respuesta tisular a la insulina (resistencia a la insulina) y la incapacidad de -Cells pancreáticas para producir cantidades adecuadas de insulina 8. El análisis cinético de la captación de glucosa y el metabolismo puede proporcionar importantes conocimientos sobreel mecanismo de acción y la eficacia de las intervenciones terapéuticas, así como permitir la supervisión avanzada de la progresión de la enfermedad.

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Protocolo

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Todos los procedimientos descritos en este estudio fueron aprobados por el Sydney área básica de salud y de la Universidad de Sydney Comités de Ética Animal y siguieron la Guía del NIH para el cuidado y uso de animales de laboratorio, Octava edición (2011).

1. Preparación Animal

NOTA: En este db macho / protocolo de ratones db (BKS.Cg- Dock7 m + / + Lepr db / J) se mantuvieron en el alojamiento en grupo con acceso ad libitum a Chow y agua hasta las 6 semanas de edad. En el momento de formación de imágenes, los ratones se pesaron ~ 30 g. Todos los ratones utilizados en este protocolo habían ayuno niveles de glucosa en sangre entre 10 y 14 mmol / L.

  1. Si es necesario, ayunar a los ratones. En el presente ejemplo, ayunar a los ratones durante 5 h antes del procedimiento experimental.
  2. Tratar ratones con el agente deseado (por ejemplo, fármaco, proteína, péptido) antes del comienzo de formación de imágenes. En este ejemplo, administrar una inyección subcutánea de insulina (3U / kg de insulina humana) o un volumen equivalente de PBS 30 min antes del inicio de formación de imágenes.

2. Configurar flujo de trabajo

NOTA: Este protocolo se llevó a cabo en un escáner PET / CT. Adquirir datos de PET en primer lugar, seguido de adquisición de datos de la TC.

  1. Configuración de PET:
    1. Seleccionar isótopo como 18 F, establece la duración del análisis a 3.600 s, y la discriminación de energía de nivel superior e inferior a 350 keV - 650 keV (por defecto) con una ventana de tiempo coincidencia de 3.432 ns (por defecto). Histograma de datos en modo de lista en 16 marcos (6 x 10 s, 4 x 60 s, 1 × 300 s, 5 × 600 s) para la el período 0 - 60 min después de la inyección del trazador. Reconstruir emisión sinogramas utilizando 2D-FBP con un zoom 1.5.
      NOTA: Las imágenes reconstruidas consistieron en 16 cuadros dinámicos, cada uno con 128 × 128 × 159 voxels y un tamaño de vóxel de 0,52 × 0,52 × 0,796 mm 3.
  2. Configuración CT:
    1. poruna TC de todo el cuerpo, establece la corriente a 500 A, voltaje a 50 kV, tiempo de exposición de 500 ms y 200 proyecciones más de una rotación de 360. Ajuste el campo detector de visión (FOV) a 30722048, el número de posiciones de la cama a 3 (para cubrir la gama completa FoV PET), la superposición entre las posiciones de cama = 30,234713% y detector binning a 4.
      NOTA: TC reconstrucción se realizó mediante tomografía de haz de software de reconstrucción de la imagen cono con la calibración HU, la interpolación bilineal y el filtro Shepp-Logan.
  3. 18 F-FDG:
    1. Suficiente orden 18 F-FDG (por ejemplo 450 MBq en 0,5 ml) de un proveedor local para llegan ~ 30 min antes de la primera inyección. Alícuota y diluir la 18 F-FDG para que los animales reciben ~ 10 MBq de 18 F-FDG en un volumen final de 0,1 ml.

3. Protocolo Imaging

  1. Limpie cámara de inducción y la cama de imagen con 80% (v / v) de etanol para mantener las condiciones asépticas. Place el ratón en una cámara de inducción y anestesiar con 5% de isoflurano en oxígeno.
  2. Coloque el ratón sobre un lecho de formación de imágenes equipado con una almohadilla de calefacción eléctrica para mantener la temperatura corporal y un cono vaporizador nariz precisión para entregar isoflurano (mantenimiento, 1,5 - 2%) a una velocidad de flujo de 1 L / min. Aplicar pomada oftálmica en los ojos para evitar la sequedad mientras que bajo anestesia.
  3. Coloque el ratón en una posición de decúbito prono sobre una almohadilla de sensor para supervisar la respiración y asegurar un plano adecuado de anestesia se mantiene.
  4. Calentar la cola usando un paquete de calor para 1 - 2 min para dilatar la vena de la cola lateral. Cateterizar la vena lateral de la cola mediante la inserción de una aguja de calibre 30 en la vena lateral de la cola. Fije la aguja en su lugar con pegamento quirúrgico y asegurar el catéter.
  5. formación de imágenes carga del lecho en el escáner y mover el lecho a través de la máquina de modo que el catéter se puede acceder desde la parte posterior de la máquina.
  6. Una el catéter a la jeringa 18 F-FDG en un syrInge conductor. Calcular la 18 dosis F-FDG exacta (10 MBq) en base a la actividad en la jeringa antes de la inyección y el volumen a ser administrado (<100! L, se inyecta más de 10 s).
  7. Para minimizar el impacto de la anestesia en la variabilidad de la absorción de glucosa, asegurar una constante de tiempo entre la inducción de la anestesia y la inyección de 18 F-FDG (por ejemplo, 30 min).
  8. Comenzar la TEP inmediatamente antes de la inyección de 18 F-FDG. Después de terminar la exploración PET (3,600 s), realizar una exploración CT (~ 10 min) para permitir la co-registro de la captación de radiotrazador con los tejidos.
  9. Mover la cama de formación de imágenes a la posición de partida, retirar el animal de la cama.
  10. En este punto sacrificar al animal o permite que se recupere:
    1. Para la eutanasia, realice dislocación cervical, mientras que todavía bajo anestesia y recoger órganos de interés para su posterior análisis.
    2. Si permitiendo el ratón para recuperar, colocar el ratón en el alojamiento individual en una almohadilla de calefacción odelante de una lámpara de calentamiento. Monitorear el ratón hasta que se haya recuperado el conocimiento suficiente para mantener decúbito esternal. Permitir que el ratón para recuperar durante 1 h antes de volver a la vivienda grupo.

4. Procesamiento de imágenes PET

NOTA: la reconstrucción de imágenes se realizó utilizando el lugar de trabajo de adquisición y análisis de software v1.5.0.28 en investigación de software v4.2 lugar de trabajo.

  1. Co-registro de CT y PET imagen y asegurar que la alineación es correcta en las 3 dimensiones.
    1. En el menú 'Archivo', seleccione 'carpeta de búsqueda / Importar' y seleccionar la carpeta que contiene los datos. Seleccione los datos de PET y CT deseados y haga clic en la pestaña "Análisis General.
    2. Ordenar los datos para que el CR se designa 'Fuente' y PET se designa 'Target'. En el menú 'flujo de trabajo', seleccione 'Registro'. Si las imágenes requieren un ajuste para ser correctamente registradas conjuntamente, utilizar las herramientas de XXmenú 'Registro' e.
  2. En el menú 'flujo de trabajo', seleccione 'ROI Cuantificación'.
    1. Utilizar las funciones de la 'Pan' y 'zoom' en la pestaña 'Imagen' para localizar la región deseada. En el menú 'Herramientas', seleccione la pestaña 'Crear' y haga clic en el icono de pincel. Dibujar el retorno de la inversión en la imagen
  3. Extraer curvas de tiempo-actividad seleccionando 'Guardar ROI cuantificación' en el menú 'Guardar'. Guardar los datos como un archivo CSV.
  4. Cuantificar la captación de radiactividad como Bq por cm 3 de tejido. Convertir los valores en porcentaje de dosis inyectada por cm 3 (% ID / cm 3) mediante la carga el archivo CSV en una hoja de cálculo.

5. Función de entrada

  1. Para corregir para la función de dispersión de punto del sistema, deconvoluir la PSF sistema estimado para 5 iteraciones utilizando el método de desconvolución de Van Cittert reblurred como se describió previamente 9.
    NOTA: Esto es necesario debido al pequeño tamaño de la vena cava en un ratón.
  2. Utilice imágenes enviar deconvolución para generar una curva de función de tiempo de actividad de entrada de sangre como se describió anteriormente.

6. Modelado Cinético

NOTA: La FDG de dos tejido modelo de compartimentos (Figura 1) requiere la función de entrada de plasma.

  1. Convertir la función de entrada de sangre en el archivo CSV a la función de entrada de plasma usando la siguiente ecuación 10: Input_plasma = × Input_blood (0,386 e - 0.191t + 1,165).
  2. En la herramienta de modelado cinético haga clic en el botón de 'Kinetic'. Importar el tejido y la actividad total en plasma cuentan archivos CSV en la herramienta de modelado cinético mediante la selección de 'Actividad curva de tiempo de carga' del 'Menú'.
  3. En el menú 'Modelo' seleccionar 2 compartimentos de tejido. Asegúrese de que la casilla junto a K4 no está seleccionadae introducir un valor de 0. Para el montaje inicial, desactive la casilla para VB (fracción de volumen de sangre) e introduzca un valor de 2%.
  4. Haga clic en la 'región actual Fit'. Corregir la región extraída de interés para la dispersión 11, 12. Lograr esto mediante la minimización del valor de Chi-cuadrado para el modelo FDG para diferentes tiempos de dispersión.
  5. Realizar un segundo ajuste utilizando el valor vB flotante (marca la casilla junto a la caja para VB) y el valor de dispersión optimizada para calcular las constantes de velocidad regionales (k 1 -k 3). Calcular la constante como K i = (k 1 × k 3) afluencia regional / (k + 2 k 3).

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Resultados

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Hemos utilizado anteriormente el / modelo de ratón db db para investigar el impacto del aumento de los niveles plasmáticos de apoA-I en la cinética de la captación de glucosa y el metabolismo de 13. En este estudio se utilizó ratones db / db tratados con insulina para demostrar la utilidad de formación de imágenes PET / CT para monitorizar la captación de 18 F-FDG desde el plasma en el músculo gastrocnemio en tiempo real.

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Discusión

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El protocolo descrito aquí representa una metodología sólida, no invasivo para determinar la cinética de la absorción de glucosa desde el torrente sanguíneo en el tejido y la posterior metabolismo en ratones.

El ratón db / db es un es un modelo animal bien establecido de la diabetes de tipo 2 14 que ha sido utilizado ampliamente para examinar la resistencia a la insulina y las intervenciones pertinentes. Sin embargo, los estudios anteriores sólo han cuantificado capta...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo fue apoyado por una subvención de acceso subsidiado de la National Imaging Facility a BJC, una subvención del programa del Consejo Nacional de Investigación Médica y de Salud de Australia (482800) a KAR y PJB. Los autores desean agradecer a Andrew Arthur, Hasar Hazme y Marie-Claude Gregoire por su apoyo en el desarrollo de este método.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Escáner PET/CTSiemensInveon 
18F-FDGPETNET Solutions
IsofluranoPharmachem
30 agujaBD305106
PMOD software de modelado PMODTechnologies
BKS. Cg-Dock7m +/+  Leprdb/J ratonesLaboratorio Jackson 000642
Insulina humanaSigma-Aldrich

Referencias

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