Administração do radiotracer para a tomografia de emissão de positrão de alta resolução temporal do cérebro humano: aplicação para FDG-fPET

Summary

Este manuscrito descreve dois protocolos de administração do radiotraçador para FDG-PET (infusão constante e bolus mais a infusão) e compara-os à administração do bolus. As resoluções temporais de 16 s são realizáveis usando estes protocolos.

Abstract

O tomography funcional da emissão de positrão (fpet) fornece um método para seguir alvos moleculars no cérebro humano. Com um análogo de glicose radioativamente rotulado, ¹⁸F-Fluordesoxiglicose (FDG-fpet), agora é possível medir a dinâmica do metabolismo da glicose com resoluções temporais abordando aqueles de ressonância magnética funcional (fMRI). Esta medida direta da captação da glicose tem o potencial enorme para compreender a função cerebral normal e anormal e a sondagem dos efeitos de doenças metabólicas e neurodegenerativas. Além disso, novos avanços no hardware híbrido MR-PET tornam possível capturar flutuações na glicose e oxigenação sanguínea simultaneamente usando fMRI e FDG-fPET.

A resolução temporal e o sinal-ruído das imagens FDG-fPET dependem criticamente da administração do radiotraçador. Este trabalho apresenta dois protocolos alternativos da infusão contínua e compara-os a uma aproximação tradicional do bolus. Apresenta um método para a aquisição de amostras de sangue, PET de bloqueio de tempo, ressonância magnética, estímulo experimental e administração da entrega de traçador não tradicional. Usando um estímulo visual, os resultados do protocolo mostram mapas corticais da glicose-resposta aos estímulos externos em um nível individual com uma definição temporal de 16 s.

Introduction

O tomography de emissão de Positron (animal de estimação) é uma técnica molecular poderosa da imagem latente que seja amplamente utilizada em ajustes clínicos e da pesquisa (veja Heurling et al.¹ para uma revisão detalhada recente). Os alvos moleculares que podem ser imaged usando o animal de estimação são limitados somente pela disponibilidade dos radiotracers, e os traçadores numerosos foram desenvolvidos aos^{receptores, às}proteínas, e às enzimas do metabolismo neural da imagem^2,3. Na neurociência, um dos radiofármacos mais utilizados é ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG-PET), que mede a captação de glicose, geralmente interpretada como um índice de metabolismo da glicose cerebral. O cérebro humano exige uma fonte constante e de confiança da glicose para satisfazer suas exigências de energia^4,5, e 70-80% do metabolismo cerebral da glicose é usado por neurônios durante a transmissão sináptica⁶. As alterações no metabolismo da glicose cerebral são pensados para iniciar e contribuir para inúmeras condições, incluindo doenças psiquiátricas, neurodegenerativas eisquêmicas^7,8,9. Além disso, como a captação de FDG é proporcional à atividade sináptica^{10,11,12, é}considerado um índice mais direto e menos confundido da atividade neuronal em comparação com o sangue mais amplamente utilizado resposta de ressonância magnética funcional dependente do nível de oxigenação (BOLD-fMRI). BOLD-fMRI é um índice indireto da atividade neural e mede mudanças na hemoglobina deoxigenada que ocorrem depois de uma cascata de mudanças neurovasculares que seguem a atividade neuronal.

A maioria de estudos de FDG-PET do cérebro humano adquirem imagens estáticas da tomada cerebral da glicose. O participante descansa calmamente por 10 min com os olhos abertos em um quarto escurecido. A dose completa do radiotraçador é administrada como um bolus durante um período de segundos, e o participante descansa então por uns 30 minutos mais adicionais. Após o período de captação, os participantes são colocados no centro do scanner PET e uma imagem PET que reflete a distribuição cumulativa da FDG ao longo dos períodos de captação e digitalização é adquirida. Assim, a atividade neuronal indexada pela imagem PET representa a média cumulativa de toda atividade cognitiva sobre os períodos de captação e varredura e não é específica para a atividade cognitiva durante o exame. Este método forneceu a grande introspecção no metabolismo cerebral do cérebro e da função neuronal. No entanto, a resolução temporal é igual à duração da digitalização (muitas vezes ~ 45 min, produzindo efetivamente uma medição estática da captação de glicose; isso compara de forma desfavorável à resposta neuronal durante os processos cognitivos e experimentos comuns em neuroimagem. Devido à limitada resolução temporal, o método fornece um índice não específico de captação de glicose (ou seja, não bloqueado para uma tarefa ou processo cognitivo) e não pode fornecer medidas de variabilidade dentro do assunto, o que pode levar a conclusões científicas erradas devido ao paradoxo¹³de Simpson. O paradoxo de Simpson é um cenário, onde as relações cérebro-comportamento calculadas entre os sujeitos não são necessariamente indicativas das mesmas relações testadas dentro dos assuntos. Além disso, as tentativas recentes de aplicar medidas de conectividade funcionais ao FDG-PET só podem medir a conectividade entre assuntos. Assim, as diferenças na conectividade só podem ser comparadas entre os grupos e não podem ser calculadas para indivíduos individuais. Embora seja discutível o que exatamente as medidas de conectividade em todo o assunto¹⁴, é claro que as medidas calculadas em toda-mas não dentro de sujeitos não podem ser usados como um biomarcador para Estados de doença ou utilizados para examinar a fonte de variação individual.

Nos últimos cinco anos, o desenvolvimento e a acessibilidade mais larga de varredores simultâneos da clínico-classe MRI-PET despertou o interesse renovado da pesquisa na imagem latente² de FDG-PET na neurociência cognitiva. Com esses desenvolvimentos, os pesquisadores se concentraram em melhorar a resolução temporal de FDG-PET para abordar os padrões de BOLD-fMRI (~ 0.5 − 2.5 s). Note-se que a resolução espacial de Bold-fMRI pode abordar resoluções submilimétricas, mas a resolução espacial de FDG-PET é fundamentalmente limitada a cerca de 0,54 mm de largura total ao meio máximo (FWHM) devido à faixa de positrão¹⁵. As aquisições dinâmicas de FDG-PET, que são frequentemente usadas clinicamente, usam o método de administração do bolus e reconstroem os dados do modo de lista em compartimentos. O método dinâmico do bolus FDG-PET oferece uma resolução temporal de cerca de 100 s (por exemplo, Tomasi et al.¹⁶). Isto é claramente muito melhor comparado à imagem latente estática de FDG-PET mas não é comparável a BOLD-fMRI. Adicionalmente, a janela em que a função do cérebro pode ser examinada é limitada, porque a concentração do plasma do sangue de FDG diminui logo depois que o bolus é administrado.

Para ampliar esta janela experimental, um punhado de estudos^{17,18,19,20,21} adaptaram o método de infusão radiotraçador proposto anteriormente por Carson^22, a ²³. Neste método, às vezes descrito como ‘ funcional FDG-PET ‘ (FDG-fPET, análoga a Bold-fMRI), o radiotraçador é administrado como uma infusão constante ao longo de toda a varredura PET (~ 90 min). O objetivo do protocolo de infusão é manter um suprimento de plasma constante de FDG para rastrear mudanças dinâmicas na captação de glicose ao longo do tempo. Em um estudo de prova de conceito, Villien et al.²¹ utilizaram um protocolo de infusão constante e um PET simultâneo de RM/FDG-fpara mostrar mudanças dinâmicas na captação de glicose em resposta à estimulação do tabuleiro de xadrez com uma resolução temporal de 60 s. Os estudos subseqüentes usaram este método para mostrar o animal de estimação tarefa-Locked de FDG-f(isto é, tempo-travado a um estímulo externo¹⁹) e o animal de estimação tarefa-relacionado de FDG-f(isto é, não tempo-travado a um estímulo externo^{17, 18}) captação da glicose. Usando estes métodos, as resoluções temporais do animal de estimação de FDG-fde 60 s foram obtidas, que é uma melhoria substancial sobre métodos do bolus. Os dados preliminares mostram que o método da infusão pode fornecer resoluções temporais de 20 − 60 s¹⁹.

Apesar dos resultados promissores do método de infusão constante, as curvas de radioatividade plasmática desses estudos mostram que o método de infusão não é suficiente para atingir um estado estacionário dentro do prazo de uma varredura de 90 min^19,21. Além do procedimento de infusão constante, Carson²² também propôs um procedimento híbrido de bolus/infusão, onde o objetivo é alcançar rapidamente o equilíbrio no início da varredura e, em seguida, sustentar os níveis de radioatividade plasmática em equilíbrio para o duração da digitalização. Rischka et al.²⁰ aplicaram recentemente esta técnica usando um bolus de 20% mais 80% de infusão. Como esperado, a função de entrada arterial subiu rapidamente acima dos níveis basais e foi sustentada a uma taxa maior por um tempo mais longo, comparado aos resultados usando um procedimento somente para infusão^19,21.

Este artigo descreve os protocolos de aquisição para a obtenção de exames de PET de alta resolução temporal FDG-fusando a administração de radiotraçador de infusão e bolus/infusão. Estes protocolos foram desenvolvidos para o uso em um ambiente simultâneo de MRI-PET com um tempo de aquisição de 90 − 95 minutos¹⁹. No protocolo, amostras de sangue são tomadas para quantificar a radioatividade sérica plasmática para posterior quantificação de imagens PET. Quando o foco do protocolo for a aplicação de métodos da infusão para o neuroimagem funcional usando o animal de estimação de Bold-fMRI/FDG-f, estes métodos podem ser aplicados a todo o estudo do animal de estimação de FDG-fnão obstante se MRI simultâneo, Bold-f MRI, tomography computado (CT), ou outras neuroimages são adquiridas. A Figura 1 mostra o fluxograma dos procedimentos neste protocolo.

Protocol

Este protocolo foi revisado e aprovado pelo Comitê de ética em pesquisa humana da Universidade Monash (número de aprovação CF16/1108-2016000590), de acordo com a declaração nacional australiana sobre conduta ética em pesquisa humana24. Os procedimentos foram desenvolvidos a orientação de um físico médico acreditado, Tecnologista da medicina nuclear, e radiographer clínico. Os investigadores devem referir-se a seus peritos locais e directrizes para a administração da radiação ioniz…

Representative Results

Métodos específicos do estudoAqui, os detalhes específicos do estudo para os resultados representativos são relatados. Esses detalhes não são críticos para o procedimento e variam entre estudos. Participantes e projeto de tarefaOs participantes (n = 3, tabela 2) foram submetidos a um estudo de PET em simultâneo com Bold-fMRI/FDG-f. Como este man…

Discussion

FDG-PET é uma poderosa tecnologia de imagem que mede a captação de glicose, um índice de metabolismo da glicose cerebral. Até o momento, a maioria dos estudos de neurociência usando o FDG-PET usa uma abordagem de administração de bolus tradicional, com uma resolução de imagem estática que representa a integral de toda atividade metabólica ao longo do exame². Este manuscrito descreve dois protocolos alternativos da administração do radiotraçador: o infusão-somente (por exemplo, vill…

Materials

Blood Collection Equipment
–12-15 vacutainers	Becton Dickinson, NJ USA	364880	Remain in sterile packaging until required to put blood in tube
–12-15 10mL LH blood collecting tubes	Becton Dickinson	367526	Marked with the sample number (e.g., S1, S2…) and subsequently marked with the sample time (e.g., time 0 + x min [T0+x])
–2-15 10mL Terumo syringe	Terumo Tokyo, Japan	SS+10L	These are drawn up on the day of the study and capped with the ampoule that contained the saline
— pre-drawn 0.9% saline flushes	Pfizer, NY, USA	61039117
–12-15 5mL Terumo syringes	Terumo Tokyo, Japan	SS+05S	Remain in sterile packaging until ready to withdraw a blood sample
Safety & Waste Equipment			All objects arranged on a plastic chair inside the scanner room on the same side as the arm from which the blood samples will be taken. Biohazard and non-biohazard waste bags to be used. Gloves and waste bags to be easily accessible when preparing the radioactivity in the dispensing area and when pipetting the plasma samples. Biohazard and non-biohazard waste bags to be used. All waste generated is checked with the Geiger counter to ensure that radioactive contaminated waste is stored until it is safe to be disposed of according to Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (APRANSA) guidelines for Radiation protection series No.6 (2017).
— Gloves	Westlab, VIC, Australia	663-219
— waste bags	Austar Packaging, VIC, Australia	YIW6090
–cello underpads ‘blueys’ Underpads 5 Ply	Halyard Health, NSW, Australia	2765A
–Blue Sharpie pen	Sharpie, TN, USA	S30063
Dose Syringes			Remain in sterile packaging until ready for use. All syringes used in this facility have an additional 20% volume capacity above the stated volume on the packaging. This is important for the 50mL syringe where the total capacity of 60mL is used
–5mL	Terumo Tokyo, Japan	SS+05S
— 20mL	Terumo Tokyo, Japan	SS+20L
–50mL	Terumo Tokyo, Japan	SS*50LE
–1 Terumo 18-gauge needle	Terumo Tokyo, Japan	NN+1838R	Remain in sterile packaging until ready to inject [18F]FDG into the saline bag
–100mL 0.9% saline bag	Baxter Pharmaceutical, IL, USA	AHB1307	Remain in sterile packaging until ready to inject [18F]FDG
Radiochemistry Lab Supplies
–Heraeus Megafuge 16 centrifuge; Rotor Bioshield 720	ThermoScientific MA, USA	75004230	Relative Centrifugal Force = 724 Our settings are 2000RPM for 5mins. Acceleration and deceleration curves set to 8
–Single well counter	Laboratory Technologies, Inc. IL, USA	630-365-1000	Complete daily quality control (includes background count) and protocol set to 18F and 4mins. Cross calibration is performed between the well counter, dose calibrator and scanner on a bi-monthly basis.
–Pipette	ISG Xacto, Vienna, Austria	LI10434	We use a 100-1000 μL set to 1000μL. It is calibrated annually.
–12-15 plasma counting tubes	Techno PLAS; SA Australia	P10316SU	Marked in the same manner as the LH blood tubes
–12-15 pipette tips	Expell Capp, Denmark	5130140-1
–3 test tube racks	Generic		Checked with a Geiger counter to ensure there is no radiation contamination on them
–500mL volumetric flask and distilled water	Generic		Need approximately 500mL of distilled water to prepare the reference for gamma counting
–Synchronised clocks in scanner room, console and radiochemistry lab	Generic		Synchronisation checks are routinely completed in the facility on a weekly basis
–Haemoglobin Monitor	EKF Diagnostic Cardiff, UK Haemo Control.	3000-0810-6801	Manufacturer recommended quality control performed before testing on participant’s blood sample.
–Glucometre	Roche Accu-Chek	6870252001	Accu-Chek Performa is used to measure participant blood sugar levels in mmol/L. Quality control is performed daily using high and low concentration solution control test.
Cannulating Equipment			Check expiry dates and train NMT to prepare aseptically for cannulation.
–Regulation tourniquet	CBC Classic Kimetec GmBH	K5020
–20, 22 and 24 gauge cannulas	Braun, Melsungen Germany	4251644-03; 4251628-03; 4251601-03
–tegaderm dressings	3M, MN USA	1624W
–alcohol and chlorhexidine swabs	Reynard Health Supplies, NSW Australia	RHS408
–0.9% saline 10mL ampoules; for flushes	Pfizer, NY, USA	61039117
–10mL syringes	Terumo Tokyo, Japan	SS+10L
–3-way tap	Becton Dickinson Connecta	394600
–IV bung	Safsite Braun PA USA	415068
–Optional extension tube, microbore extension set	M Devices, Denmark	IV054000
Scanner Room Equipment
–Siemens Biograph 3T mMR	Siemens, Erlangen, Germany
–Portable lead barrier shield	Gammasonics	Custom-built	MR-conditional lead barrier shield. Positioned at the 2000 Gauss line with the castors locked to provide additional shielding of the radioactivity connected to the infusion pump.
–Infusion pump BodyGuard 323 MR-conditional infusion pump	Caesarea Medical Electronics	300-040XP	MR-compatible. This model is cleared for use on 1.5 and 3T scanners at 2000 Gauss with castors locked.
–Infusion pump tubing	Caesarea Medical Electronics	100-163X2YNKS	Tubing is administration set with an anti-siphon valve and male luer lock (REF 100-163X2YNKS).
–Lead bricks	Custom built		Tested for ferromagnetic translational force
Other Equipment
–Syringe shields	Biodex, NY USA	Custom-built	There is a 5mL tungsten syringe shield that is MR-safe, as well as a 50mL lead shield that has been tested for ferromagnetic attraction prior to use in the MR-PET scanner. It is used to transport the radioactive dose from the radiochemistry lab into the scanner to minimise radiation exposure to the NMT.
–Geiger counter Model 26-1 Integrated Frisker	Ludlum Measurements, Inc. TX USA	48-4007	This is calibrated annually and used to monitor potential contamination and waste. It is not taken into the MR-PET scanner.