Artigo de método

Determinando Glucose Metabolismo Kinetics Usando 18 F-FDG Micro-PET / CT

DOI:

10.3791/55184

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2 de maio 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

Neste artigo

Resumo

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Este estudo descreve um protocolo que usa 18imagens de F-FDG e tomografia por emissão de pósitrons/tomografia computadorizada (PET/CT), juntamente com modelagem cinética, para quantificar a captação in vivo e em tempo real de 18F-FDG nos tecidos.

Resumo

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Este artigo descreve o uso de 18imagens de F-FDG e micro-PET/CT para determinar in vivo a cinética do metabolismo da glicose em camundongos (e é transferível para ratos). A captação e o metabolismo prejudicados da glicose em vários sistemas de órgãos devido à resistência à insulina são uma característica do diabetes tipo 2. A capacidade desta técnica de extrair uma função de entrada derivada de imagem da veia cava usando um método de deconvolução iterativa elimina a necessidade da coleta de amostras de sangue arterial. O ajuste das curvas de atividade do tempo de tecido e veia cava a um modelo de dois tecidos e três compartimentos permite a estimativa de microparâmetros cinéticos relacionados à captação de 18F-FDG do plasma para o espaço intracelular, a taxa de transporte do espaço intracelular para o plasma e a taxa de fosforilação de 18F-FDG. Essa metodologia permite várias medidas de captação de glicose e cinética do metabolismo no contexto de estudos longitudinais e também fornece informações sobre a eficácia das intervenções terapêuticas.

Introdução

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O objectivo deste estudo foi desenvolver uma tomografia de emissão de positrões / tomografia computadorizada (PET / CT) metodologia base para quantificar o, in vivo, a absorção em tempo real de glucose a partir do fluxo de sangue para os tecidos específicos em ratos. Isto foi conseguido usando fluorodesoxiglucose 18 F-rotulado (FDG) para medir a absorção de glicose e de modelagem cinética para estimar as taxas de 18 captação F-FDG do plasma para o espaço intracelular, a taxa de transporte do espaço intracelular para o plasma e a taxa de 18 F-fosforilação de FDG.

Em roedores, 18F-FDG foi usado na avaliação pré-clínica de numerosos tratamentos contra o cancro 1, estudos de progressão do tumor e 2 metabolismo do tumor 3, bem como de imagem de depósitos de gordura marrom 4, 5 e neuroinflamation cérebro metabolismo 6 .

Os métodos tradicionais utilizados para examinar a absorção específica de tecido de glucose em ratinhos e ratos () geralmente envolvem o tratamento com 2-desoxiglucose marcada radioactivamente com qualquer 3 H ou 14 C, seguido por eutanásia, recolha de tecido e medição de radioactividade em cada tecido 7. O uso de PET / CT permite a determinação não invasiva da captação de glicose e do metabolismo em múltiplos órgãos e regiões simultaneamente em animais vivos. Além disso, como a eutanásia não é um requisito, esta técnica é adequado para utilização em estudos longitudinais.

Diabetes mellitus tipo 2 (DM2) é caracterizado por um metabolismo perturbado glicose e hiperglicemia secundária a capacidade de resposta dos tecidos reduzida à insulina (resistência à insulina) e a incapacidade de -cells pancreáticas para produzir quantidades adequadas de insulina 8. análise cinética de absorção de glicose e do metabolismo pode fornecer importantes insights sobreo mecanismo de acção e eficácia de intervenções terapêuticas, bem como permitir a monitorização da progressão da doença avançada.

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Protocolo

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Todos os procedimentos descritos neste estudo foram aprovados pelo Distrito de Saúde Sydney Local e Universidade de Comitês de Ética Animais Sydney e seguiu o Guia do NIH para o cuidado e uso de animais de laboratório, oitava edição (2011).

1. Preparação de animais

NOTA: Nesta db macho protocolo / db (BKS.Cg- Dock7 m + / + Leprdb / J) foram mantidas em habitação grupo com acesso ad libitum à comida e água até 6 semanas de idade. No momento da imagiologia, os ratinhos pesavam 30 g ~. Todos os ratos utilizados neste protocolo tinham jejum níveis de glicose no sangue entre 10 e 14 mmol / L.

  1. Se necessário, jejuar ratos. No presente exemplo, os ratos jejuar durante 5 h antes do procedimento experimental.
  2. Tratar os ratos com o agente desejado (por exemplo, droga, proteína, péptido) antes do início da imagiologia. Neste exemplo, administrar uma injecção subcutânea de insulina (3U / kg de insulina humana) ou o volume equivalente de PBS 30 min antes do início da imagiologia.

2. Defina o fluxo de trabalho

NOTA: Este protocolo foi implementado em um scanner PET / CT. Adquirir dados de PET primeiro, seguido por aquisição de dados CT.

  1. Configurações de estimação:
    1. Seleccionar isótopo como 18 F, definido de duração do varrimento a 3600 s, e discriminação do nível de energia superior e inferior a 350 keV - 650 keV (padrão) com uma janela de temporização coincidência de 3.432 ns (por defeito). dados de lista de modo histograma em 16 quadros (6 × 10 × 4 s, 60 s, 1 × 300 s, 5 × 600 s) para o período de 0-60 minutos após a injecção do marcador. Reconstruir emissão sinograms usando 2D-FBP com um zoom de 1,5.
      NOTA: As imagens reconstruídas consistiu de 16 quadros dinâmicos, cada um com 128 × 128 × 159 voxels e um tamanho de voxel de 0,52 x 0,52 x 0,796 milímetros 3.
  2. Configurações CT:
    1. Paraum varrimento CT todo o corpo, ajustar a corrente de 500 A, a tensão de 50 kV, tempo de exposição de 500 ms e 200 projecções mais de uma rotação de 360. Definir o campo de detector de visão (FOV) para 30722048, número de cama posições para três (para cobrir completa gama FoV PET), a sobreposição entre as posições de cama = 30,234713% e detector de arrumação de a 4.
      NOTA: reconstrução CT foi realizada utilizando cone beam tomografia software de reconstrução de imagem com calibração HU, interpolação bilinear e filtro Shepp-Logan.
  3. 18F-FDG:
    1. Ordem suficiente 18F-FDG (por exemplo 450 MBq em 0,5 mL) a partir de um fornecedor local para chegar ~ 30 minutos antes da primeira injecção. Alíquotas e diluir a 18F-FDG de modo que os animais recebem ~ 10 MBq de 18F-FDG em um volume final de 0,1 mL.

3. Protocolo de imagem

  1. Limpar abaixo câmara de indução e cama de imagem com 80% (v / v) de etanol para manter condições assépticas. Place o rato numa câmara de indução e anestesiar com 5% de isoflurano em oxigio.
  2. Colocar o rato sobre uma cama de imagens equipado com uma almofada de aquecimento eléctrico para manter a temperatura do corpo e uma precisão vaporizador cone de nariz para entregar isoflurano (manutenção, 1,5 - 2%) a um caudal de 1 L / min. Aplicar pomada oftálmica para os olhos para evitar a secura, enquanto sob anestesia.
  3. Posicionar o rato em uma posição de bruços sobre uma almofada sensor para monitorizar a respiração e garantir uma adequada plano de anestesia é mantida.
  4. Aquece-se a cauda usando um aparelho de calor para 1 - 2 minutos para dilatar a veia lateral da cauda. Cateterize da veia lateral da cauda através da inserção de uma agulha de calibre 30 na veia lateral da cauda. Fixar a agulha no lugar com cola cirúrgica e fixar o cateter.
  5. imagiologia carga do leito no scanner e mover o leito através da máquina de forma que o cateter pode ser acedida a partir da parte traseira da máquina.
  6. Anexar o cateter para a seringa 18 F-FDG em um syrmotorista Inge. Calcular a exacta dose de 18 M-FDG (10 MBq) com base na actividade na seringa antes da injecção e o volume a ser administrado (<100? L, injectados ao longo de 10 s).
  7. Para minimizar o impacto da anestesia sobre a variabilidade da absorção de glicose, garantir uma constante de tempo entre a indução de anestesia e injecção de 18F-FDG (por exemplo, 30 minutos).
  8. Iniciar o PET scan imediatamente antes da injecção de 18F-FDG. Depois de terminar o varrimento de PET (3,600 s), executar um varrimento da TC (~ 10 min) para permitir que o co-registo de captação do radiofármaco com tecidos.
  9. Mover a cama de imagem para a posição de partida, remover o animal a partir do leito.
  10. Neste ponto eutanásia do animal ou permitir que ele se recuperar:
    1. Para a eutanásia, execute deslocamento cervical, embora ainda sob anestesia e recolher órgãos de interesse para análise posterior.
    2. Se permitir que o mouse para se recuperar, coloque o mouse na caixa de uma em uma almofada de aquecimento ouna frente de uma lâmpada de aquecimento. Monitore o rato até que ele recuperou a consciência suficiente para manter decúbito esternal. Permitir que o mouse para se recuperar para 1 h antes de retornar ao alojamento em grupo.

4. Processamento de Imagem PET

NOTA: reconstrução imagem foi realizada utilizando aquisição local de trabalho v1.5.0.28 software e análise em v4.2 software trabalho de pesquisa.

  1. Co-registar imagens de CT e de PET e assegurar que o alinhamento está correcto em 3 dimensões.
    1. No menu 'File', selecione 'Pasta de Pesquisa / Import' e selecione a pasta que contém os dados. Selecione os dados PET e CT desejados e clique no separador 'Análise Geral.
    2. Classificar os dados para que o CR é designado 'Fonte' e PET é designado 'Target'. No menu 'Fluxo de Trabalho', selecione 'Registro'. Se as imagens exigir a regularização corretamente co-registrada, use as ferramentas no thMenu e 'Registro'.
  2. No menu 'Fluxo de Trabalho', selecione 'ROI Quantificação'.
    1. Use as funções 'Pan' e 'Zoom' no separador 'Imagem' para localizar a região desejada. No menu 'Ferramentas', selecione a guia 'Criar' e clique no ícone de pincel. Desenhe o ROI na imagem
  3. Extrair curvas de tempo-actividade, selecionando 'Salvar ROI Quantificação' no menu 'Save'. Salvar os dados como um arquivo CSV.
  4. Quantificar a captação de radioactividade como Bq por cm 3 de tecido. Converter os valores em percentagem de dose injectada por cm 3 (% ID / cm 3), carregando o ficheiro CSV para uma folha de cálculo.

Função 5. Input

  1. Para corrigir para a função de propagação ponto sistema, deconvoluir PSF sistema estimado para 5 iterações usando o método de desconvolução reblurred Van Cittert como anteriormente descrito 9.
    NOTA: Isto é necessário devido ao pequeno tamanho da veia cava em um mouse.
  2. Use imagens pós desconvolução para gerar uma curva de função de tempo-actividade de entrada de sangue como descrito acima.

6. Modelagem Kinetic

NOTA: O-dois tecido FDG modelo de compartimento (Figura 1) requer a função de entrada de plasma.

  1. Converter a função de entrada de sangue no CSV para a função de entrada de plasma utilizando a seguinte equação 10: Input_plasma = × Input_blood (0,386 e - 0.191t + 1,165).
  2. Na ferramenta de modelagem cinética clique no botão 'Kinetic'. Importar o tecido e atividade plasmática total contar arquivos CSV para a ferramenta de modelagem cinética, selecionando 'Load Tempo Actividade Curve' do 'Menu'.
  3. No menu 'Model' selecionar 2 compartimentos de tecido. Certifique-se de que a caixa ao lado de k4 é desmarcadae introduzir um valor de 0. Para a montagem inicial, desligue a caixa para VB (fracção de volume de sangue) e introduzir um valor de 2%.
  4. Clique no 'região atual Fit'. Corrigir a região extraída de interesse para dispersão 11, 12. Atingir este, minimizando o valor do qui-quadrado para o modelo de FDG para diferentes tempos de dispersão.
  5. Executar um segundo ajuste usando o valor vB flutuante (veja o quadro ao lado da caixa para VB) e o valor de dispersão optimizada para calcular as constantes da taxa de regionais (k -k 1 3). Calcular o influxo regionais constante como Ki = (k 1 × 3 k) / (k 2 + k 3).

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Resultados

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Nós já usou o modelo do rato db / db para investigar o impacto do aumento dos níveis plasmáticos apoA-I sobre a cinética de absorção de glicose e metabolismo 13. Neste estudo utilizou-se ratos db / db tratados com insulina para demonstrar a utilidade de imagiologia de PET / TC para monitorar a absorção de 18F-FDG do plasma para o músculo do gastrocnémio em tempo real.

Anestesiaram-se ratinhos...

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Discussão

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O protocolo aqui descrito representa uma metodologia sólida, não invasivo para determinar a cinética da captação de glicose da corrente sanguínea para o tecido e subsequente metabolismo em ratinhos.

O murganho db / db é um é um modelo animal bem estabelecido para a diabetes Tipo 2 14 que tem sido usado extensivamente para examinar a resistência à insulina e intervenções relevantes. No entanto, estudos anteriores têm apenas quantificado captação endpoint no coração

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Divulgações

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Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado por um National Imaging Facility Subsidised Access Grant para BJC, um National Health and Medical Research Council of Australia program grant (482800) para KAR e PJB. Os autores gostariam de agradecer a Andrew Arthur, Hasar Hazme e Marie-Claude Gregoire pelo apoio no desenvolvimento deste método.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Scanner PET/CTSiemensInveon 
18F-FDGPETNET Solutions
IsofluranoPharmachem
Agulha de calibre 30BD305106
software de modelagemPMOD PMOD Technologies
BKS. cg-dock7m +/+  Leprdb/J camundongosJackson Laboratory000642
Insulina humanaSigma-Aldrich

Referências

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