Radiotracer Administración para La Tomografía por Emisión de Positrones de Alta Resolución Temporal del Cerebro Humano: Aplicación a FDG-fPET

Summary

Este manuscrito describe dos protocolos de administración de radiosonda para FDG-PET (infusión constante y bolo más perfusión) y los compara con la administración de bolos. Las resoluciones temporales de 16 s se pueden lograr utilizando estos protocolos.

Abstract

La tomografía funcional por emisión de positrones (fPET) proporciona un método para rastrear dianas moleculares en el cerebro humano. Con un análogo de glucosa marcado radioactivamente, ¹⁸F-fluordeoxyglucose (FDG-fPET), ahora es posible medir la dinámica del metabolismo de la glucosa con resoluciones temporales que se acercan a las de la resonancia magnética funcional (fMRI). Esta medida directa de la captación de glucosa tiene un enorme potencial para entender la función cerebral normal y anormal y sondear los efectos de las enfermedades metabólicas y neurodegenerativas. Además, los nuevos avances en el hardware híbrido MR-PET permiten capturar fluctuaciones en la glucosa y la oxigenación de la sangre simultáneamente utilizando fMRI y FDG-fPET.

La resolución temporal y la señal a ruido de las imágenes FDG-fPET dependen críticamente de la administración de la radiosonda. Este trabajo presenta dos protocolos alternativos de perfusión continua y los compara con un enfoque tradicional del bolo. Presenta un método para adquirir muestras de sangre, PET de bloqueo de tiempo, RMN, estímulo experimental y administrar la administración de trazador no tradicional. Utilizando un estímulo visual, los resultados del protocolo muestran mapas corticales de la glucosa-respuesta a estímulos externos a nivel individual con una resolución temporal de 16 s.

Introduction

La tomografía por emisión de positrones (PET) es una potente técnica de imagen molecular que se utiliza ampliamente tanto en entornos clínicos como de investigación (ver Heurling et al.¹ para una revisión exhaustiva reciente). Las dianas moleculares que se pueden tomar imágenes utilizando PET sólo están limitadas por la disponibilidad de radiosondas, y numerosos trazadores se han desarrollado para tomar imágenes de receptores del metabolismo neural, proteínas y enzimas^2,3. En neurociencia, uno de los radiosondas más utilizados es ¹⁸F-fluorodeoxiglucosa (FDG-PET), que mide la ingesta de glucosa, generalmente interpretado como un índice de metabolismo de la glucosa cerebral. El cerebro humano requiere un suministro constante y confiable de glucosa para satisfacer sus requisitos de energía^4,5, y 70-80% del metabolismo de la glucosa cerebral es utilizado por las neuronas durante la transmisión sináptica⁶. Se cree que los cambios en el metabolismo de la glucosa cerebral inician y contribuyen a numerosas afecciones, incluyendo afecciones psiquiátricas, neurodegenerativas e isquémicas^7,8,9. Además, como la ingesta de FDG es proporcional a la actividad sináptica^10,11,12, se considera un índice más directo y menos confundido de la actividad neuronal en comparación con la sangre más utilizada respuesta de resonancia magnética funcional dependiente del nivel de oxigenación (BOLD-fMRI). BOLD-fMRI es un índice indirecto de actividad neuronal y mide los cambios en la hemoglobina desoxigenada que se producen después de una cascada de cambios neurovasculares después de la actividad neuronal.

La mayoría de los estudios FDG-PET del cerebro humano adquieren imágenes estáticas de la absorción de glucosa cerebral. El participante descansa tranquilamente durante 10 minutos con los ojos abiertos en una habitación oscurecida. La dosis completa de radiosonda se administra como bolo durante un período de segundos, y el participante reposa durante otros 30 minutos. Después del período de captación, los participantes se colocan en el centro del escáner PET, y se adquiere una imagen PET que refleja la distribución acumulativa de FDG en el transcurso de los períodos de captación y escaneo. Por lo tanto, la actividad neuronal indexada por la imagen PET representa el promedio acumulado de toda la actividad cognitiva sobre los períodos de aceptación y exploración y no es específica de la actividad cognitiva durante la exploración. Este método ha proporcionado una gran visión del metabolismo cerebral del cerebro y la función neuronal. Sin embargo, la resolución temporal es igual a la duración de la exploración (a menudo 45 min, produciendo efectivamente una medición estática de la absorción de glucosa; esto se compara desfavorablemente con la respuesta neuronal durante los procesos cognitivos y experimentos comunes en neuroimagen. Debido a la resolución temporal limitada, el método proporciona un índice no específico de la acumulación de glucosa (es decir, no bloqueado a una tarea o proceso cognitivo) y no puede proporcionar medidas de variabilidad dentro del sujeto, lo que puede conducir a conclusiones científicas erróneas debidas a la Paradoja¹³de Simpson. La Paradoja de Simpson es un escenario, donde las relaciones cerebro-comportamiento calculadas entre sujetos no son necesariamente indicativas de las mismas relaciones probadas dentro de los sujetos. Además, los intentos recientes de aplicar medidas de conectividad funcional a FDG-PET solo pueden medir la conectividad entre sujetos. Por lo tanto, las diferencias en la conectividad sólo se pueden comparar entre grupos y no se pueden calcular para sujetos individuales. Si bien es discutible qué medidas de conectividad exactamente entre sujetos¹⁴, está claro que las medidas calculadas a través de los sujetos, pero no dentro de los sujetos, no pueden utilizarse como biomarcador para los estados de la enfermedad ni utilizarse para examinar la fuente de variación individual.

En los últimos cinco años, el desarrollo y la accesibilidad más amplia de los escáneres simultáneos de resonancia magnética-PET de grado clínico ha despertado un renovado interés de investigación en la imagen FDG-PET² en neurociencia cognitiva. Con estos desarrollos, los investigadores se han centrado en mejorar la resolución temporal de FDG-PET para abordar los estándares de BOLD-fMRI (0,5 x 2,5 s). Tenga en cuenta que la resolución espacial de BOLD-fMRI puede aproximarse a resoluciones submilimétricas, pero la resolución espacial de FDG-PET se limita fundamentalmente a alrededor de 0,54 mm de ancho completo a la mitad máxima (FWHM) debido al rango de positrones¹⁵. Las adquisiciones dinámicas de FDG-PET, que a menudo se utilizan clínicamente, utilizan el método de administración del bolo y reconstruyen los datos en modo lista en contenedores. El método fDG-PET dinámico de bolo ofrece una resolución temporal de alrededor de 100 s (por ejemplo, Tomasi et al.¹⁶). Esto es claramente mucho mejor en comparación con la imagen estática FDG-PET, pero no es comparable a BOLD-fMRI. Además, la ventana en la que se puede examinar la función cerebral es limitada, porque la concentración plasmática sanguínea de FDG disminuye poco después de administrar el bolo.

Para ampliar esta ventana experimental, un puñado de estudios^{17,18,19,20,21} han adaptado el método de infusión de radiosonda previamente propuesto por Carson^{22, 23}. En este método, a veces descrito como ‘FDG-PET funcional’ (FDG-fPET, análogo a BOLD-fMRI), la radiosonda se administra como una perfusión constante en el transcurso de toda la tomografía por emisión de positrones (90 min). El objetivo del protocolo de perfusión es mantener un suministro plasmático constante de FDG para realizar un seguimiento de los cambios dinámicos en la utilización de glucosa a lo largo del tiempo. En un estudio de prueba de concepto, Villien et al.²¹ utilizaron un protocolo de perfusión constante y UNA resonancia magnética/FDG-fPET simultánea para mostrar cambios dinámicos en la ingesta de glucosa en respuesta a la estimulación de tablero de ajedrez con una resolución temporal de 60 s. Los estudios posteriores han utilizado este método para mostrar el FDG-fPET bloqueado por tareas (es decir, bloqueado en el tiempo a un estímulo externo¹⁹⁾y el FDG-fPET relacionado con las tareas (es decir, no bloqueado en el tiempo a un estímulo externo^{17, 18}) acumulación de glucosa. Utilizando estos métodos, se han obtenido resoluciones temporales FDG-fPET de 60 s, lo que es una mejora sustancial sobre los métodos de bolo. Los datos preliminares muestran que el método de perfusión puede proporcionar resoluciones temporales de 20 a 60 s¹⁹.

A pesar de los resultados prometedores del método de perfusión constante, las curvas de radiactividad plasmática de estos estudios muestran que el método de perfusión no es suficiente para alcanzar un estado estable dentro del período de tiempo de una exploración de 90 minutos^19,21. Además del procedimiento de perfusión constante, Carson²² también propuso un procedimiento híbrido de bolo/infusión, donde el objetivo es alcanzar rápidamente el equilibrio al comienzo de la exploración, y luego mantener los niveles de radiactividad plasmática en equilibrio para el duración de la exploración. ²⁰ aplicó recientemente esta técnica utilizando un 20% de bolo más 80% de perfusión. Como era de esperar, la función de entrada arterial subió rápidamente por encima de los niveles basales y se mantuvo a una tasa más alta durante más tiempo, en comparación con los resultados utilizando un procedimiento de solo perfusión^19,21.

Este documento describe los protocolos de adquisición para la adquisición de exploraciones de PET FDG-fde alta resolución temporal utilizando solo perfusión y administración de radiosonda de bolo/infusión. Estos protocolos se han desarrollado para su uso en un entorno MRI-PET simultáneo con un tiempo de adquisición de 90 a 95 minutos¹⁹. En el protocolo, se toman muestras de sangre para cuantificar la radiactividad sérica plasmática para la cuantificación posterior de imágenes PET. Si bien el enfoque del protocolo es la aplicación de métodos de infusión para la neuroimagen funcional utilizando BOLD-fMRI/FDG-fPET, estos métodos se pueden aplicar a cualquier estudio de FDG-fPET independientemente de si la RMN simultánea, BOLD-f Se adquieren resonancias magnéticas, tomografía computarizada (TC) u otras neuroimágenes. El cuadro 1 muestra el diagrama de flujo de los procedimientos en este protocolo.

Protocol

Este protocolo ha sido revisado y aprobado por el Comité de ética de investigación humana de la Universidad de Monash (número de aprobación CF16/1108 – 2016000590) de acuerdo con la Declaración Nacional Australiana sobre Conducta Etica en Investigación Humana24. Los procedimientos se desarrollaron bajo la dirección de un físico médico acreditado, un tecnólogo de medicina nuclear y un radiógrafo clínico. Los investigadores deben referirse a sus expertos locales y directrices para la ad…

Representative Results

Métodos específicos del estudioAquí, se informan detalles específicos del estudio para los resultados representativos. Estos detalles no son críticos para el procedimiento y variarán según los estudios. Participantes y diseño de tareasLos participantes (n.o 3, Cuadro 2)se sometieron a un estudio simultáneo de BOLD-fMRI/FDG-fPET. Como este manus…

Discussion

FDG-PET es una potente tecnología de imagen que mide la ingesta de glucosa, un índice de metabolismo de la glucosa cerebral. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios de neurociencia utilizan FDG-PET utilizan un enfoque tradicional de administración del bolo, con una resolución de imagen estática que representa la integral de toda la actividad metabólica en el transcurso de la exploración^2. Este manuscrito describe dos protocolos alternativos de administración de radiosonda: los protocol…

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.