Ce manuscrit décrit deux protocoles d’administration de radiotracer pour FDG-PET (infusion constante et bolus plus perfusion) et les compare à l’administration de bolus. Les résolutions temporelles de 16 s sont réalisables en utilisant ces protocoles.
La tomographie fonctionnelle par émission de positrons (fPET) fournit une méthode pour suivre les cibles moléculaires dans le cerveau humain. Avec un analogue de glucose radioactif-étiqueté, 18F-fluordeoxyglucose (FDG-fPET), il est maintenant possible de mesurer la dynamique du métabolisme de glucose avec des résolutions temporelles approchant ceux de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (FMRI). Cette mesure directe de l’absorption de glucose a un énorme potentiel pour comprendre la fonction normale et anormale du cerveau et sonder les effets des maladies métaboliques et neurodégénératives. De plus, les nouvelles avancées dans le matériel hybride MR-PET permettent de capter simultanément les fluctuations du glucose et de l’oxygénation sanguine à l’aide de l’IRMf et de l’AIG-fPET.
La résolution temporelle et le signal-au-bruit des images FDG-fPET dépendent de la critique de l’administration du radiotracer. Ce travail présente deux protocoles alternatifs d’infusion continue et les compare à une approche traditionnelle de bolus. Il présente une méthode pour l’acquisition d’échantillons de sang, le verrouillage du temps TEP, IRM, stimulus expérimental, et l’administration de la livraison traceur non-traditionnel. Utilisant un stimulus visuel, les résultats de protocole montrent des cartes corticales de la réponse de glucose aux stimulus externes à un niveau individuel avec une résolution temporelle de 16 s.
La tomographie par émission de positrons (TEP) est une puissante technique d’imagerie moléculaire qui est largement utilisée dans les milieux cliniques et de recherche (voir Heurling et coll.1 pour un examen complet récent). Les cibles moléculaires qui peuvent être imaginées à l’aide de TEP ne sont limitées que par la disponibilité des radiotraceurs, et de nombreux traceurs ont été développés pour imager les récepteurs du métabolisme neuronal, les protéines et les enzymes2,3. En neurosciences, l’un des radiotraceurs les plus utilisés est 18F-fluorodeoxyglucose (FDG-PET), qui mesure l’absorption du glucose, généralement interprété comme un indice du métabolisme du glucose cérébral. Le cerveau humain a besoin d’un approvisionnement constant et fiable de glucose pour satisfaire ses besoins énergétiques4,5, et 70-80% du métabolisme du glucose cérébral est utilisé par les neurones pendant la transmission synaptique6. Les changements au métabolisme cérébral de glucose sont pensés pour initier et contribuer à de nombreuses conditions, y compris les conditions psychiatriques, neurodégénératives, etischémiques 7,8,9. En outre, comme l’utilisation de FDG est proportionnelle à l’activité synaptique10,11,12, il est considéré comme un indice plus direct et moins confondu de l’activité neuronale par rapport au sang plus largement utilisé réponse de résonance magnétique fonctionnelle dépendante du niveau d’oxygénation (BOLD-fMRI). BOLD-fMRI est un indice indirect de l’activité neuronale et mesure les changements dans l’hémoglobine désoxygénée qui se produisent à la suite d’une cascade de changements neurovasculaires suivant l’activité neuronale.
La plupart des études de FDG-PET du cerveau humain acquièrent des images statiques de l’absorption cérébrale de glucose. Le participant se repose tranquillement pendant 10 min, les yeux ouverts dans une pièce sombre. La dose complète de radiotraceur est administrée comme un bolus sur une période de secondes, et le participant se repose ensuite pendant 30 min. Après la période d’apprémoncellement, les participants sont placés au centre du scanner PET, et une image TEP qui reflète la distribution cumulative de FDG au cours des périodes d’apprélance et de numérisation est acquise. Ainsi, l’activité neuronale indexée par l’image PET représente la moyenne cumulative de toute l’activité cognitive sur les périodes d’utilisation et de balayage et n’est pas spécifique à l’activité cognitive pendant l’analyse. Cette méthode a fourni un grand aperçu du métabolisme cérébral du cerveau et de la fonction neuronale. Cependant, la résolution temporelle est égale à la durée d’analyse (souvent 45 min, produisant effectivement une mesure statique de l’absorption de glucose ; ceci compare défavorablement à la réponse neuronale pendant des processus cognitifs et des expériences communes dans la neuroimaging. En raison de la résolution temporelle limitée, la méthode fournit un indice non spécifique de l’absorption du glucose (c.-à-d. non verrouillé à une tâche ou à un processus cognitif) et ne peut pas fournir de mesures de la variabilité à l’intérieur du sujet, ce qui peut conduire à des conclusions scientifiques erronées à Simpson’s Paradox13. Le paradoxe de Simpson est un scénario où les relations cerveau-comportement calculées entre les sujets ne sont pas nécessairement indicatives des mêmes relations testées au sein des sujets. En outre, les tentatives récentes d’appliquer des mesures de connectivité fonctionnelle à FDG-PET ne peuvent mesurer que la connectivité entre les sujets. Ainsi, les différences de connectivité ne peuvent être comparées qu’entre les groupes et ne peuvent pas être calculées pour des sujets individuels. Bien qu’il soit discutable ce que exactement les mesures de connectivité à travers le sujet14, il est clair que les mesures calculées entre les sujets, mais pas à l’intérieur des sujets ne peuvent pas être utilisés comme un biomarqueur pour les états de la maladie ou utilisés pour examiner la source de la variation individuelle.
Au cours des cinq dernières années, le développement et l’accessibilité plus large des scanners IRM-PET simultanés de qualité clinique ont suscité un regain d’intérêt pour la recherche sur l’imagerie FDG-PET2 en neurosciences cognitives. Avec ces développements, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration de la résolution temporelle de FDG-PET pour approcher les normes de BOLD-fMRI (0,5 à 2,5 s). Notez que la résolution spatiale de BOLD-fMRI peut approcher les résolutions submillimétriques, mais la résolution spatiale de FDG-PET est fondamentalement limitée à environ 0,54 mm de pleine largeur à la moitié maximale (FWHM) en raison de la gamme de positron15. Les acquisitions dynamiques de FDG-PET, qui sont souvent utilisées cliniquement, utilisent la méthode d’administration de bolus et reconstruisent les données en mode liste en bacs. La méthode FDG-PET dynamique de bolus offre une résolution temporelle d’environ 100 s (p. ex., Tomasi et al.16). C’est clairement beaucoup mieux par rapport à l’imagerie statique FDG-PET, mais n’est pas comparable à BOLD-fMRI. En outre, la fenêtre dans laquelle la fonction cérébrale peut être examinée est limitée, parce que la concentration de plasma sanguin de FDG diminue peu de temps après le bolus est administré.
Pour élargir cette fenêtre expérimentale, une poignée d’études17,18,19,20,21 ont adapté la méthode d’infusion radiotracer précédemment proposé par Carson22, 23. Dans cette méthode, parfois décrite comme «fDG-PET fonctionnel» (FDG-fPET, analogue à BOLD-fMRI), le radiotracer est administré comme une perfusion constante au cours de l’ensemble du TEP (90 min). L’objectif du protocole d’infusion est de maintenir un approvisionnement constant en plasma de FDG pour suivre les changements dynamiques dans l’absorption de glucose à travers le temps. Dans une étude de preuve de concept, Villien et autres21 ont employé un protocole constant d’infusion et LE PET simultané de MRI/FDG-f pour montrer des changements dynamiques dans l’absorption de glucose en réponse à la stimulation de damier avec une résolution temporelle de 60 s. Des études ultérieures ont utilisé cette méthode pour montrer fDG-fPET (c.-à-d. verrouillé dans le temps à un stimulus externe19) et fDG-fPET lié aux tâches (c.-à-d., pas verrouillé dans le temps à un stimulus externe17, 18) absorption de glucose. En utilisant ces méthodes, FDG-fPET résolutions temporelles de 60 s ont été obtenues, ce qui est une amélioration substantielle par rapport aux méthodes de bolus. Les données préliminaires montrent que la méthode d’infusion peut fournir des résolutions temporelles de 20 à 60 s19.
Malgré les résultats prometteurs de la méthode d’infusion constante, les courbes de radioactivité plasmatique de ces études montrent que la méthode d’infusion n’est pas suffisante pour atteindre un état stable dans le délai d’un balayage de 90 min19,21. En plus de la procédure de perfusion constante, Carson22 a également proposé une procédure hybride bolus/perfusion, où l’objectif est d’atteindre rapidement l’équilibre au début de l’analyse, puis de maintenir les niveaux de radioactivité plasmatique à l’équilibre pour le durée de l’analyse. Rischka et coll.20 ont récemment appliqué cette technique à l’aide d’un bolus de 20 % plus une perfusion de 80 %. Comme prévu, la fonction d’entrée artérielle a rapidement augmenté au-dessus des niveaux de base et a été soutenue à un taux plus élevé pendant une plus longue période, par rapport aux résultats utilisant une procédure de perfusion seulement19,21.
Cet article décrit les protocoles d’acquisition pour l’acquisition des balayages de FDG-fPET à haute résolution temporelle utilisant l’administration de radiotracer d’infusion-seulement et de bolus/perfusion de radiotracer. Ces protocoles ont été développés pour une utilisation dans un environnement simultané IRM-PET avec un temps d’acquisition de 90 à 95 min19. Dans le protocole, des échantillons de sang sont prélevés pour quantifier la radioactivité du sérum plasmatique pour la quantification ultérieure des images de TEP. Bien que le protocole se concentre sur l’application de méthodes de perfusion pour la neuroimagerie fonctionnelle à l’aide de BOLD-fMRI/FDG-fPET, ces méthodes peuvent être appliquées à n’importe quelle étude FDG-fPET indépendamment du fait que l’IRM simultanée, BOLD-f MrI, la tomographie calculée (CT), ou d’autres neuroimages sont acquises. La figure 1 montre le diagramme de flux des procédures dans ce protocole.
FDG-PET est une technologie d’imagerie puissante qui mesure l’absorption du glucose, un indice du métabolisme du glucose cérébral. À ce jour, la plupart des études en neurosciences utilisant FDG-PET utilisent une approche traditionnelle d’administration de bolus, avec une résolution d’image statique qui représente l’intégrale de toute activité métabolique au cours de l’analyse2. Ce manuscrit décrit deux protocoles alternatifs d’administration de radiotraceur : les protocoles d’infusion …
The authors have nothing to disclose.
Jamadar est soutenu par un Australian Council for Research (ARC) Discovery Early Career Researcher Award (DECRA DE150100406). Jamadar, Ward et Egan sont soutenus par le Centre d’excellence de l’ARC pour la fonction cérébrale intégrative (CE114100007). Chen et Li sont soutenus par le financement de la Fondation culturelle Reignwood.
Jamadar, Ward, Carey et McIntyre ont conçu le protocole. Carey, McIntyre, Sasan et Fallon ont recueilli les données. Jamadar, Ward, Parkes et Sasan ont analysé les données. Jamadar, Ward, Carey et McIntyre ont écrit la première ébauche du manuscrit. Tous les auteurs ont examiné et approuvé la version finale.
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. |