Методическая статья

Определение Метаболизм глюкозы Kinetics Использование 18 F-ФДГ Micro-PET / CT

DOI:

10.3791/55184

⸱

2 мая 2017 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этом исследовании описывается протокол, который использует 18F-FDG и визуализацию с помощью позитронно-эмиссионной томографии/компьютерной томографии (ПЭТ/КТ), вместе с кинетическим моделированием, для количественной оценки in vivo, реального времени поглощения 18F-FDG в тканях.

Аннотация

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

В этой статье описывается использование 18F-FDG и микро-ПЭТ/КТ визуализации для определения кинетики метаболизма глюкозы in vivo у мышей (и может быть перенесена на крыс). Нарушение усвоения и метаболизма глюкозы в системах нескольких органов из-за резистентности к инсулину является отличительной чертой диабета 2 типа. Способность этого метода извлекать входную функцию, полученную на основе изображения, из полой вены с использованием метода итерационной деконволюции устраняет необходимость сбора образцов артериальной крови. Подгонка кривых временной активности тканей и полой вены к двухтканевой, трехкомпартментной модели позволяет оценить кинетические микропараметры, связанные с поглощением 18F-FDG из плазмы во внутриклеточное пространство, скоростью транспорта из внутриклеточного пространства в плазму и скоростью фосфорилирования 18F-FDG. Эта методология позволяет многократно измерять поглощение глюкозы и кинетику метаболизма в контексте лонгитюдных исследований, а также дает представление об эффективности терапевтических вмешательств.

Введение

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

Цель данного исследования заключалась в разработке позитронно - эмиссионной томографии / компьютерной томографии (ПЭТ / КТ) на основе методологии для количественного определения в естественных условиях, в режиме реального времени поглощение глюкозы из крови в специфических тканях у мышей. Это было достигнуто с использованием 18 Р-меченной фтордезоксиглюкозы (ФДГ) , чтобы измерить поглощение глюкозы и кинетическое моделирование для оценки темпов 18 поглощения F-ФДГ из плазмы в межклеточное пространстве, скорость переноса из внутриклеточного пространства в плазму крови и скорости 18 F-ФДГ фосфорилирования.

У грызунов, 18 F-ФДГ был использован в доклинической оценки многочисленных методов лечения рака 1, исследований прогрессии 2 опухоли и опухоли метаболизма 3, а также визуализации коричневых жировых депо 4, 5 neuroinflamation и мозг метаболизма 6 .

Традиционные методы , используемые для изучения тканеспецифического поглощения глюкозы у мышей и крыс () обычно включает в себя лечение с 2-дезоксиглюкозой меченой либо 3 H или 14 C с последующей эвтаназией, сбором ткани и измерением радиоактивности в каждой ткани 7. Использование ПЭТ / КТ позволяет неинвазивного определения поглощения глюкозы и метаболизма в различных органах и регионах одновременно в живых животных. Кроме того, как эвтаназии не является обязательным требованием, этот метод пригоден для использования в продольных исследованиях.

Сахарный диабет 2 типа (T2DM) характеризуются нарушенным метаболизмом глюкозы и гипергликемией вторичной по отношению к снижению реактивности тканей к инсулину (инсулинорезистентность) и неспособность поджелудочной железы производить -клетках достаточного количество инсулина 8. Кинетический анализ усвоения глюкозы и метаболизм может дать важную информацию омеханизм действия и эффективности терапевтических вмешательств, а также позволяет для расширенного мониторинга прогрессирования заболевания.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Все процедуры , описанные в данном исследовании , были утверждены округа и университета комитетов Сидней животных этики Сидней местного здравоохранения и затем Руководство NIH по уходу и использованию лабораторных животных, Восьмое издание (2011).

1. Подготовка животных

Примечание: В этом протоколе мужского дБ / дБ мышей (BKS.Cg- Dock7 м + / + Lepr дБ / J) , не были сохранены в группе корпус с вволю доступом к Chow и воду до 6 - недельного возраста. Во время обработки изображений, мышей взвешивали ~ 30 г. Все мыши, используемые в этом протоколе были натощак уровень глюкозы в крови от 10 до 14 ммоль / л.

  1. При необходимости, быстро мышей. В настоящем примере, быстро мышей в течение 5 ч до начала экспериментальной процедуры.
  2. Treat мышей с желаемым агентом (например , лекарственное средство, белок, пептид) перед началом визуализации. В этом примере, вводить подкожную инъекцию инсулина (3Ед / кг инсулина человека) или эквивалентный объем PBS, за 30 мин до начала визуализации.

2. Настройка рабочего процесса

Примечание: Этот протокол был реализован на сканере ПЭТ / КТ. Приобретать данные ПЭТ первым, а затем получение данных КТ.

  1. Настройки ПЭТ:
    1. Выбор изотопа , как 18 F, установить длительность сканирования 3600 с, а верхний и нижний энергетический уровень дискриминации до 350 кэВ - 650 кэВ ( по умолчанию) с окном совпадения синхронизации от 3.432 нс ( по умолчанию). Гистограмма данные списка режима в 16 кадров (6 × 10 с, 4 × 60, 1 × 300 с, 5 × 600 с) за период 0 - 60 мин после инъекции трассирующей. Восстанавливает излучение синограмм с использованием 2D-FBP с увеличением 1.5.
      Примечание: Восстановленные изображения состояли из 16 динамических кадров, каждый из которых 128 × 128 × 159 вокселей и размер воксела 0,52 × 0,52 × 0,796 мм 3.
  2. Параметры CT:
    1. Длявсе тело КТ, установить ток при 500 А, напряжение при 50 кВ, время экспозиции 500 мс и 200 выступов над 360 вращения. В поле детектора зрения (FOV) до 30722048, числа позиций кровати до 3 (чтобы покрыть полный диапазон ПЭТ F), перекрытие между слоем позицией = 30.234713% и детектором биннингом до 4.
      Примечание: реконструкция КТ была выполнена с использованием конусной лучевой томографии программного обеспечения восстановления изображений с ХА калибровки, билинейной интерполяции и Shepp-Логан фильтр.
  3. 18 F-ФДГ:
    1. Заказ достаточного 18 F-ФДГ (например , 450 МОк в 0,5 мл) от местного поставщика , чтобы прибыть ~ 30 минут до первой инъекции. Аликвоты и разбавить 18 F-ФДГ таким образом , чтобы животные получали ~ 10 МБк 18 F-ФДГ в конечном объеме 0,1 мл.

3. Протокол обработки изображений

  1. Вытирают индукционную камеру и кровать изображений с 80% (об / об) этанола для поддержания асептических условий. Пласе мыши в индукционной камере и анестезия с 5% изофлураном в кислороде.
  2. Поместите мышь на кровать с изображением, снабженной электрической грелкой, чтобы поддерживать температуру тела и испаритель носового конусом точности для доставки изофлурана (техническое обслуживание, 1,5 - 2%) при скорости потока 1 л / мин. Применение глазной мази на глаза, чтобы предотвратить сухость во время под наркозом.
  3. Поместите мышь в положении лежа на сенсорной панели, чтобы контролировать дыхание и обеспечить адекватный плоскость анестезии сохраняется.
  4. Теплый хвост с использованием теплового пакета в течение 1 - 2 мин, чтобы расширить боковую хвостовую вену. Катетеризировать боковую хвостовую вену, вставляя 30 калибра иглу в боковую хвостовую вену. Закрепите иглу на месте с хирургическим клеем и закрепить катетер.
  5. Загрузка изображений кровать в сканер и перемещать кровать через машину так, чтобы катетер можно получить доступ с задней стороны машины.
  6. Прикрепите катетер к шприцу 18 F-ФДГА в СыреВодитель Инге. Вычислить точную 18 F-ФДГ дозы (10 МБк) на основе активности в шприц перед инъекцией и объем , чтобы вводить (<100 мкл, впрыскиваемого в течение 10 с).
  7. Для того, чтобы свести к минимуму влияние анестезии на изменчивость глюкозы, обеспечить постоянное время между индукцией анестезии и инъекции 18 F-ФДГ (например, 30 мин).
  8. Начинают ПЭТ непосредственно перед инъекцией 18 F-ФДГ. После завершения сканирования ПЭТ (3600 сек), выполнить КТ (~ 10 мин), чтобы обеспечить совместную регистрацию поглощения радиотрейсер с тканями.
  9. Перемещение кровати изображений в исходное положение, удалить животное от кровати.
  10. На данный момент усыпить животное или позволить ему восстановить:
    1. Для эвтаназии, выполнять цервикальную дислокацию в то время как все еще под наркозом и собирают органы, представляющие интерес для последующего анализа.
    2. Если мышь позволяет восстановить, поместить мышь в одном корпусе на грелку илив передней части нагревательной лампы. Монитор мыши, пока он не пришел в сознание достаточного для поддержания грудины лежачее. Разрешить мыши, чтобы восстановить в течение 1 часа, прежде чем вернуться в группу жилья.

4. Обработка изображений ПЭТ

Примечание: реконструкция изображения была выполнена с использованием рабочего места приобретения программного обеспечения v1.5.0.28 и анализа в исследование программного обеспечения на рабочем месте v4.2.

  1. Со-регистр КТ и ПЭТ изображений и гарантировать, что выравнивание является правильным во всех 3-х измерениях.
    1. В меню «Файл» выберите «Folder Search / Импорт» и выберите папку, содержащую данные. Выберите нужные данные ПЭТ и КТ и нажмите на вкладку «Общий анализ».
    2. Сортировка данных так, что CR будет называться «Источник» и ПЭТ назначенные «Target». В меню «WorkFlow», выберите «Регистрация». Если изображения требуют регулировок, чтобы быть правильно совмещались, использовать инструменты яМеню е «Регистрация».
  2. В меню «Workflow», выберите «ROI КОЛИЧЕСТВЕННУЮ».
    1. Использование функций в «Pan» и «Уменьшить» на вкладке «Изображение», чтобы найти нужный регион. В меню «Сервис», выберите вкладку «Создать» и нажмите на значок кисточки. Нарисуйте ROI на изображении
  3. Извлечение кривых времени активности, выбрав «Сохранить ROI КОЛИЧЕСТВЕННАЯ» из меню «Сохранить». Сохранение данных в виде файла CSV.
  4. Количественно поглощение радиоактивности в Бк на см 3 ткани. Преобразование значения в процентах от введенной дозы на см 3 (% ID / см 3) путем загрузки файла CSV - в электронную таблицу.

5. Входные функции

  1. Для исправления для функции рассеяния точки системы, деконволюции оценочной системы PSF в течение 5 итераций с использованием методы деконволюции reblurred Ван Циттерто , как описано выше 9.
    Примечание: Это необходимо из-за небольшой размером Вена Кава у мыши.
  2. Использование почтовых изображений деконволюции, чтобы сгенерировать кривую функции времени активности входа в крови, как описано выше.

6. Кинетическое моделирование

Примечание: ФДГ две ткани модель отсека (Рисунок 1) требует функции входа плазмы.

  1. Преобразование функция ввода крови в CSV файл для функции входа плазмы , используя следующее уравнение 10: Input_plasma = Input_blood × (0,386 е - 0.191t + 1,165).
  2. В кинетическом инструмент моделирования нажмите кнопку «Kinetic». Импорт ткани и плазмы общая активность подсчитывать CSV файлов в кинетическом инструмент моделирования, выбрав «Load Time Activity Curve» из «Меню».
  3. В меню «Модель» выберите 2 отделение ткани. Убедитесь, что флажок рядом с К4 невыбранныйи введите значение 0. Для начального фитинга, снимите флажок Vb объем крови (фракция) и введите значение в 2%.
  4. Нажмите кнопку «Fit текущего региона». Правильно извлеченная область интереса для диспергирования 11, 12. Достичь этого путь минимизации хи-квадрат значения для модели ФДГА в разное время диспергирования.
  5. Выполните вторую посадку , используя значение с плавающей Vb (флажок рядом с полем для Vb) и оптимизированное значение дисперсии для расчета константы скорости региональной (K 1 -k 3). Рассчитывают региональный приток постоянной , как K я = (к 1 × K 3) / (K 2 + к 3).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Ранее мы использовали / модель мыши дб дб исследовать влияние увеличения плазменных уровней апоА-I на кинетику поглощения глюкозы и метаболизме 13. В этом исследовании мы использовали дБ / дБ мышей , получавших инсулин , чтобы продемонстрировать полезность ПЭТ / КТ для контроля поглощения 18 F-ФДГ из плазмы в икроножной мышце в режиме реального времени.

Шесть недельных дБ / дБ мышей анестезир...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Протокол, описанный здесь, представляет собой надежную, неинвазивный методику для определения кинетики поглощения глюкозы из крови в ткани и последующего обмена веществ у мышей.

ДБ / дБ мышь является является хорошо создан животной моделью сахарного диабета 2 типа 14 , который был использован широко для изучения резистентности к инсулину и соответствующие вмешательств. Однако, предыдущие исследования только количественно поглощение конечной точки в сердце

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана грантом субсидированного доступа Национального центра визуализации для BJC, грантом программы Национального совета по здравоохранению и медицинским исследованиям Австралии (482800) для KAR и PJB. Авторы хотели бы поблагодарить Эндрю Артура, Хасара Хазме и Мари-Клод Грегуар за поддержку в развитии этого метода.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Сканер ПЭТ/КТSiemensInveon 
18F-FDGPETNET Solutions
IsofluranePharmachem
30 измерительная иглаBD305106
программное обеспечение для моделированияPMOD Technologies BKS
. Cg-Dock7m +/+  Leprdb/J мышиЛаборатория Джексона000642
человеческим инсулиномSigma-Aldrich

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Jensen, M. M., Kjaer, A. Monitoring of anti-cancer treatment with (18)F-FDG and (18)F-FLT PET: a comprehensive review of pre-clinical studies. Am J Nucl Med Mol Imaging. 5, 431-456 (2015).
  2. Duncan, K., et al. (18)F-FDG-PET/CT imaging in an IL-6- and MYC-driven mouse model of human multiple myeloma affords objective evaluation of plasma cell tumor progression and therapeutic response to the proteasome inhibitor ixazomib. Blood Cancer J. 3, e165(2013).
  3. Wang, Y., Kung, A. L. 18F-FDG-PET/CT imaging of drug-induced metabolic changes in genetically engineered mouse lung cancer models. Cold Spring Harb Protoc. 2015, 176-179 (2015).
  4. Wang, X., Minze, L. J., Shi, Z. Z. Functional imaging of brown fat in mice with 18F-FDG micro-PET/CT. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2012).
  5. Radu, C. G., Shu, C. J., Shelly, S. M., Phelps, M. E., Witte, O. N. Positron emission tomography with computed tomography imaging of neuroinflammation in experimental autoimmune encephalomyelitis. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 1937-1942 (2007).
  6. Toba, S., et al. Post-natal treatment by a blood-brain-barrier permeable calpain inhibitor, SNJ1945 rescued defective function in lissencephaly. Sci Rep. 3, 1224(2013).
  7. Halseth, A. E., Bracy, D. P., Wasserman, D. H. Overexpression of hexokinase II increases insulinand exercise-stimulated muscle glucose uptake in vivo. Am J Physiol. 276, E70-E77 (1999).
  8. Defronzo, R. A. Banting Lecture. From the triumvirate to the ominous octet: a new paradigm for the treatment of type 2 diabetes mellitus. Diabetes. 58, 773-795 (2009).
  9. Tohka, J., Reilhac, A. Deconvolution-based partial volume correction in Raclopride-PET and Monte Carlo comparison to MR-based method. NeuroImage. 39, 1570-1584 (2008).
  10. Wu, H. M., et al. et al. In vivo quantitation of glucose metabolism in mice using small-animal PET and a microfluidic device. J Nucl Med. 48, 837-845 (2007).
  11. Oikonen, V. Model equations for the dispersion of the input function in bolus infusion PET studies. , Available from: http://www.turkupetcentre.net/reports/tpcmod0003.pdf (2002).
  12. Iida, H., et al. Error analysis of a quantitative cerebral blood flow measurement using H2(15)O autoradiography and positron emission tomography, with respect to the dispersion of the input function. J Cereb Blood Flow Metab. 6, 536-545 (1986).
  13. Cochran, B. J., et al. In vivo PET imaging with [18F]FDG to explain improved glucose uptake in an apolipoprotein A-I treated mouse model of diabetes. Diabetologia. 59, 1977-1984 (2016).
  14. Kobayashi, K., et al. The db/db mouse, a model for diabetic dyslipidemia: molecular characterization and effects of Western diet feeding. Metabolism. 49, 22-31 (2000).
  15. Yue, P., et al. Magnetic resonance imaging of progressive cardiomyopathic changes in the db/db mouse. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 292, H2106-H2118 (2007).
  16. Hagberg, C. E., et al. Targeting VEGF-B as a novel treatment for insulin resistance and type 2 diabetes. Nature. 490, 426-430 (2012).
  17. Alf, M. F., et al. Quantification of brain glucose metabolism by 18F-FDG PET with real-time arterial and image-derived input function in mice. J Nucl Med. 54, 132-138 (2013).
  18. Tantawy, M. N., Peterson, T. E. Simplified [18F]FDG image-derived input function using the left ventricle, liver, and one venous blood sample. Molecular imaging. 9, 76-86 (2010).
  19. Thorn, S. L., et al. Repeatable noninvasive measurement of mouse myocardial glucose uptake with 18F-FDG: evaluation of tracer kinetics in a type 1 diabetes model. J Nucl Med. 54, 1637-1644 (2013).
  20. Wagner, R., Zimmer, G., Lacko, L. An interspecies approach to the investigation of the red cell membrane glucose transporter. Biochim Biophys Acta. 771, 99-102 (1984).
  21. Flores, J. E., McFarland, L. M., Vanderbilt, A., Ogasawara, A. K., Williams, S. P. The effects of anesthetic agent and carrier gas on blood glucose and tissue uptake in mice undergoing dynamic FDG-PET imaging: sevoflurane and isoflurane compared in air and in oxygen. Mol Imaging Biol. 10, 192-200 (2008).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

in vivo

Похожие статьи