Radiotracer Administration for High Temporal Resolution Positron Emission Tomoography of the Human Brain: Application to FDG-fPET

Summary

Questo manoscritto descrive due protocolli di amministrazione del radiotracer per FDG-PET (infusione costante e bolus plus infusione) e li confronta con l’amministrazione del bolo. Le risoluzioni temporali di 16 s sono realizzabili utilizzando questi protocolli.

Abstract

La tomografia funzionale a emissione di positroni (fPET) fornisce un metodo per tracciare obiettivi molecolari nel cervello umano. Con un analogo al glucosio etichettato radioattivamente, ¹⁸F-fluordeoxyglucose (FDG-fPET), è ora possibile misurare la dinamica del metabolismo del glucosio con risoluzioni temporali che si avvicinano a quelle della risonanza magnetica funzionale (fMRI). Questa misura diretta dell’assorbimento del glucosio ha un enorme potenziale per comprendere la normale e anormale funzione cerebrale e sondare gli effetti delle malattie metaboliche e neurodegenerative. Inoltre, i nuovi progressi nell’hardware ibrido MR-PET consentono di cogliere le fluttuazioni del glucosio e dell’ossigenazione del sangue contemporaneamente utilizzando fMRI e FDG-fPET.

La risoluzione temporale e il segnale al rumore delle immagini FDG-fPET dipendono in modo critico dalla somministrazione del radiotracer. Questo lavoro presenta due protocolli alternativi di infusione continua e li confronta con un approccio tradizionale al bolo. Presenta un metodo per l’acquisizione di campioni di sangue, PET di blocco del tempo, risonanza magnetica, stimolo sperimentale e la somministrazione di traccianti non tradizionali. Utilizzando uno stimolo visivo, i risultati del protocollo mostrano le mappe corticali della risposta del glucosio a stimoli esterni a livello individuale con una risoluzione temporale di 16 s.

Introduction

La tomografia a emissione di positroni (PET) è una potente tecnica di imaging molecolare ampiamente utilizzata sia in ambito clinico che di ricerca (vedere Heurling et al.¹ per una recente revisione completa). Gli obiettivi molecolari che possono essere immagine utilizzando PET sono limitati solo dalla disponibilità di radiotracciatori, e numerosi traccianti sono stati sviluppati per l’immagine di recettori del metabolismo neurale, proteine ed enzimi^2,3. Nelle neuroscienze, uno dei radiotracciatori più utilizzati è ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG-PET), che misura l’assorbimento del glucosio, di solito interpretato come un indice del metabolismo cerebrale del glucosio. Il cervello umano richiede un apporto costante e affidabile di glucosio per soddisfare il suo fabbisogno energetico^4,5, e 70-80% del metabolismo del glucosio cerebrale viene utilizzato dai neuroni durante la trasmissione sinaptica⁶. Cambiamenti al metabolismo del glucosio cerebrale sono pensati per avviare e contribuire a numerose condizioni, tra cui psichiatriche, neurodegenerative, e condizioni ischemiche^7,8,9. Inoltre, poiché l’assorbimento degli FDG è proporzionale all’attività sinaptica^10,11,12, è considerato un indice più diretto e meno confuso di attività neuronale rispetto al sangue più utilizzato la risposta di risonanza magnetica funzionale dipendente dal livello di ossigenazione (BOLD-fMRI). BOLD-fMRI è un indice indiretto dell’attività neurale e misura i cambiamenti nell’emoglobina deossigenata che si verificano a seguito di una cascata di cambiamenti neurovascolari a seguito dell’attività neuronale.

La maggior parte degli studi FDG-PET del cervello umano acquisiscono immagini statiche dell’assorbimento del glucosio cerebrale. Il partecipante riposa tranquillamente per 10 min con gli occhi aperti in una stanza buia. La dose completa di radiotracer viene somministrata come bolus per un periodo di secondi, e il partecipante poi riposa per altri 30 min. Dopo il periodo di assorbimento, i partecipanti vengono posizionati al centro dello scanner PET e viene acquisita un’immagine PET che riflette la distribuzione FDG cumulativa nel corso dei periodi di assorbimento e scansione. Pertanto, l’attività neuronale indicizzata dall’immagine PET rappresenta la media cumulativa di tutta l’attività cognitiva nei periodi di assorbimento e scansione e non è specifica dell’attività cognitiva durante la scansione. Questo metodo ha fornito una grande comprensione del metabolismo cerebrale del cervello e della funzione neuronale. Tuttavia, la risoluzione temporale è uguale alla durata della scansione (spesso 45 min, producendo in modo efficace una misurazione statica dell’assorbimento del glucosio; questo si confronta sfavorevolmente alla risposta neuronale durante i processi cognitivi e gli esperimenti comuni in neuroimaging. A causa della limitata risoluzione temporale, il metodo fornisce un indice non specifico dell’assorbimento del glucosio (cioè non bloccato a un compito o a un processo cognitivo) e non può fornire misure di variabilità all’interno del soggetto, il che può portare a conclusioni scientifiche errate dovute al Paradosso di Simpson¹³. Il Paradosso di Simpson è uno scenario, in cui le relazioni cervello-comportamento calcolate tra i soggetti non sono necessariamente indicative delle stesse relazioni testate all’interno dei soggetti. Inoltre, i recenti tentativi di applicare misure di connettività funzionale a FDG-PET possono misurare solo la connettività tra i soggetti. Pertanto, le differenze di connettività possono essere confrontate solo tra i gruppi e non possono essere calcolate per i singoli soggetti. Mentre è discutibile ciò che esattamente tra i soggetti misure di connettività¹⁴, è chiaro che le misure calcolate tra i soggetti, ma non all’interno di argomenti, non possono essere utilizzate come biomarcatore per gli stati di malattia o utilizzate per esaminare la fonte di variazione individuale.

Negli ultimi cinque anni, lo sviluppo e la più ampia accessibilità degli scanner RM-PET simultanei di grado clinico hanno suscitato un rinnovato interesse di ricerca nell’imaging FDG-PET² nelle neuroscienze cognitive. Con questi sviluppi, i ricercatori si sono concentrati sul miglioramento della risoluzione temporale di FDG-PET per avvicinarsi agli standard di BOLD-fMRI (0,5,5 s). Si noti che la risoluzione spaziale di BOLD-fMRI può affrontare risoluzioni submillimetriche, ma la risoluzione spaziale di FDG-PET è fondamentalmente limitata a circa 0,54 mm di larghezza completa a metà massima (FWHM) a causa della gamma di^positron15. Le acquisizioni dinamiche di FDG-PET, spesso utilizzate clinicamente, utilizzano il metodo di amministrazione del bolus e ricostruiscono i dati in modalità elenco nei contenitori. Il metodo bolus dinamico FDG-PET offre una risoluzione temporale di circa 100 s (ad esempio, Tomasi et al.¹⁶). Questo è chiaramente molto meglio rispetto all’imaging statico FDG-PET, ma non è paragonabile a BOLD-fMRI. Inoltre, la finestra in cui può essere esaminata la funzione cerebrale è limitata, perché la concentrazione di plasma sanguigno del FDG diminuisce subito dopo la somministrazione del bolo.

Per ampliare questa finestra sperimentale, una manciata di studi^17,18,19^,20,21 hanno adattato il metodo di infusione del radiotracer precedentemente proposto da Carson^{22, 23}. In questo metodo, talvolta descritto come “FDG-PET funzionale” (FDG-fPET, analogo a BOLD-fMRI), il radiotracer viene somministrato come infusione costante nel corso dell’intera scansione PET (90 min). L’obiettivo del protocollo di infusione è mantenere una fornitura costante di plasma di FDG per monitorare i cambiamenti dinamici nell’assorbimento del glucosio nel tempo. In uno studio proof-of-concept, Villien et al.²¹ ha utilizzato un protocollo di infusione costante e UNA risonanza magnetica simultanea, la RM/FDG-fPET per mostrare cambiamenti dinamici nell’assorbimento del glucosio in risposta alla stimolazione a scacchiera con una risoluzione temporale di 60 s. Studi successivi hanno utilizzato questo metodo per mostrare FDG-fPET bloccati dal blocco di attività (cioè bloccati nel tempo a uno stimolo esterno¹⁹) e FDG-fPET relativi alle attività (cioè non bloccati nel tempo a uno stimolo esterno^{17, 18)}assorbimento del glucosio. Utilizzando questi metodi, sono state ottenute risoluzioni temporali FDG-fPET di 60 s, il che è un sostanziale miglioramento rispetto ai metodi di bolus. I dati preliminari mostrano che il metodo di infusione può fornire risoluzioni temporali di 20-60 s¹⁹.

Nonostante i promettenti risultati del metodo di infusione costante, le curve di radioattività plasmatica di questi studi mostrano che il metodo di infusione non è sufficiente per raggiungere uno stato costante entro il lasso di tempo di una scansione di 90 min^19,21. Oltre alla costante procedura di infusione, Carson²² ha anche proposto una procedura ibrida bolus/infusione, in cui l’obiettivo è quello di raggiungere rapidamente l’equilibrio all’inizio della scansione, e quindi sostenere i livelli di radioattività al plasma all’equilibrio per il durata della scansione. Rischka et al.²⁰ ha recentemente applicato questa tecnica utilizzando un 20% bolus più 80% infusione. Come previsto, la funzione di input arterioso è rapidamente salita al di sopra dei livelli di base ed è stata sostenuta a un tasso più elevato per un tempo più lungo, rispetto ai risultati utilizzando una procedura di solo infusione^19,21.

Questo documento descrive i protocolli di acquisizione per l’acquisizione di scansioni FDG-fPET ad alta risoluzione temporale utilizzando l’amministrazione di solo infusione e radiotracer bolus/infusione. Questi protocolli sono stati sviluppati per l’uso in un ambiente MRI-PET simultaneo con un tempo di acquisizione di 90-95 min¹⁹. Nel protocollo, vengono prelevati campioni di sangue per quantificare la radioattività del siero plasma per la successiva quantificazione delle immagini PET. Mentre l’obiettivo del protocollo è l’applicazione di metodi di infusione per il neuroimaging funzionale utilizzando BOLD-fMRI/FDG-fPET, questi metodi possono essere applicati a qualsiasi studio FDG-fPET indipendentemente dal fatto che la risonanza magnetica simultanea, BOLD-f La risonanza magnetica, la tomografia computerizzata (TC) o altre neuroimmagini vengono acquisite. Figura 1 Mostra il diagramma di flusso delle procedure in questo protocollo.

Protocol

Questo protocollo è stato rivisto e approvato dal Comitato Etico della Ricerca Umana dell’Università di Monash (numero di approvazione CF16/1108 – 2016000590) in conformità con la dichiarazione nazionale australiana sulla condotta etica nella ricerca umana24. Le procedure sono state sviluppate sotto la guida di un fisico medico accreditato, tecnologo di medicina nucleare e radiografo clinico. I ricercatori dovrebbero fare riferimento ai loro esperti locali e linee guida per la somministrazione …

Representative Results

Metodi specifici dello studioQui vengono riportati i dettagli specifici dello studio per i risultati rappresentativi. Questi dettagli non sono critici per la procedura e variano a seconda degli studi. Partecipanti e progettazione delle attivitàI partecipanti (n – 3, tabella 2) hanno subito uno studio simultaneo BOLD-fMRI/FDG-fPET. Poiché questo manosc…

Discussion

FDG-PET è una potente tecnologia di imaging che misura l’assorbimento del glucosio, un indice del metabolismo del glucosio cerebrale. Ad oggi, la maggior parte degli studi di neuroscienze che utilizzano FDG-PET utilizzano un approccio tradizionale di somministrazione di bolus, con una risoluzione statica dell’immagine che rappresenta l’integrale di tutta l’attività metabolica nel corso della scansione². Questo manoscritto descrive due protocolli alternativi di amministrazione dei radiotracer: i …

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.