Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie 64Cu PET/CT- und PET/MRT-Bildgebung am Menschen durchgeführt werden können, um kupferbedingte Erkrankungen wie Morbus Wilson und die Auswirkungen der Behandlung auf den Kupferstoffwechsel zu untersuchen.
Abstract
Kupfer ist ein essentielles Spurenelement, das in der Katalyse und bei der Signalübertragung in biologischen Systemen eine Rolle spielt. Radioaktiv markiertes Kupfer wird seit Jahrzehnten zur Untersuchung des grundlegenden menschlichen und tierischen Kupferstoffwechsels und kupferbedingter Erkrankungen wie Morbus Wilson (WD) und Morbus Menke verwendet. Neu hinzugekommen ist die 64-Kupfer (64 Cu) Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die die genaue anatomische Bildgebung moderner Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MRT) mit der Bioverteilung des 64Cu PET-Tracer-Signals kombiniert. Dies ermöglicht es, Kupferflüsse und -kinetik in vivo zu verfolgen und so den Verkehr und Stoffwechsel von Kupferorganen bei Mensch und Tier direkt sichtbar zu machen. Folglich eignet sich 64Cu PET gut für die Bewertung klinischer und präklinischer Behandlungseffekte und hat bereits gezeigt, dass es in der Lage ist, WD genau zu diagnostizieren. Darüber hinaus haben sich 64Cu-PET/CT-Studien in anderen wissenschaftlichen Bereichen wie der Krebs- und Schlaganfallforschung als wertvoll erwiesen. Der vorliegende Artikel zeigt, wie 64Cu PET/CT oder PET/MR beim Menschen durchgeführt werden können. Hier werden Verfahren für die Handhabung von 64Cu, die Patientenvorbereitung und die Einrichtung des Scanners demonstriert.
Introduction
Kupfer ist ein lebenswichtiger katalytischer Cofaktor, der mehrere wichtige biochemische Prozesse antreibt, die für das Leben unerlässlich sind, und Defekte in der Kupferhomöostase sind direkt für menschliche Krankheiten verantwortlich. Mutationen in den Genen ATP7A oder ATP7B , die für kupfertransportierende ATPasen kodieren, verursachen Morbus Menke bzw. Wilson. Morbus Menke (ATP7A) ist eine seltene tödliche Erkrankung der intestinalen Kupferhyperakkumulation mit schwerem Kupfermangel im peripheren Gewebe und Defiziten in kupferabhängigen Enzymen1. Morbus Wilson (WD) (ATP7B) ist eine seltene Erkrankung, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet ist, überschüssiges Kupfer in die Galle auszuscheiden, was zu einer Kupferüberladung und anschließenden Organschäden führt, die am stärksten die Leber und das Gehirn betreffen2.
Studien zum Kupferstoffwechsel verwenden seit Jahrzehnten radioaktiv markiertes Kupfer (normalerweise 64-Kupfer [64Cu] oder 67-Kupfer), und diese Studien haben sich als von unschätzbarem Wert für unser Verständnis des Kupferstoffwechsels von Säugetieren erwiesen, einschließlich der Absorptionsstelle und der Ausscheidungswege 3,4,5,6. Früher wurden Gamma-Zähler verwendet, um das radioaktive Signal mit einer begrenzten anatomischen Auflösung zu detektieren, aber vor kurzem wurde die 64-Cu-Positronen-Emissions-Tomographie (PET) in Kombination mit Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) sowohl in Human- als auch in Tierstudien eingeführt. Heute haben PET-Scanner eine so hohe Empfindlichkeit, dass es möglich ist, 64Cu bis zu 70 h nach der Injektion zu verfolgen. Die lange Halbwertszeit von 12,7 h für 64Cu ermöglicht die Langzeitbeurteilung von Kupferflüssen. Diese Verbesserung der Auflösung hat erst vor kurzem Einzug in die Kupferstudien gehalten, und Studien über den normalen und pathologischen Kupferstoffwechsel sowie Studien, die die Auswirkungen bestimmter Behandlungen bewerten, beginnen sich abzuzeichnen. Darüber hinaus wird die Einführung von Ganzkörper-PET-Scannern mit erweitertem Sichtfeld die Sensitivität dieser Untersuchungen weiter erhöhen.
Diese methodische Arbeit zielt darauf ab, Kliniker und Wissenschaftler in die Lage zu versetzen, das bestehende Repertoire an Instrumenten um 64Cu PET CT/MRT als robuste und einfach zu handhabende Methode zur Beurteilung des Kupferstoffwechsels in einer zwischen nuklearmedizinischen Abteilungen vergleichbaren Weise zu erweitern. Die Herstellung von 64Cu Kupfer kann mit verschiedenen Verfahren erfolgen und wird in der Regel in speziellen Anlagen durchgeführt. Unter den Kernreaktionen ist die 64 Ni (p,n)64 Cu-Methode weit verbreitet, da auf diesem Weg eine hohe Produktionsausbeute von 64Cu mit niederenergetischen Protonen erzielt werden kann 7,8. Eine detaillierte Beschreibung der Produktionsmethoden würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, und die Verfügbarkeit wird je nach Land und Region unterschiedlich sein.
In diesem Artikel beschreiben wir zunächst die Herstellung der notwendigen Radiochemie und des Tracers. Anschließend werden die Prinzipien zur Vorbereitung der PET/CT- oder PET/MRT-Scanner demonstriert.
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Protocol
Einige klinische Studien mit diesem 64Cu PET/CT- oder PET/MRT-Protokoll wurden von der regionalen Ethikkommission der Region Midt, Dänemark, genehmigt [1-10-72-196-16 (EudraCT 2016-001975-59), 1-10-72-41-19 (EudraCT 2019-000905-57), 1-10-72-343-20 (EudraCT 2020-005832-31), 1-10-72-25-21 (EudraCT 2021-000102-25) und 1-10-72-15-22 (EudraCT 2021-005464-21)]. Bei der Einschreibung wurde von den Teilnehmern eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Die Einschlusskriterien für alle Teilnehmerinnen waren das Alter >18 Jahren und für Frauen die Verwendung sicherer Verhütungsmittel. Die Ausschlusskriterien für Patienten mit Morbus Wilson waren eine dekompensierte Zirrhose, ein MELD-Score (Model for End-stage Liver Disease) >11) oder ein modifizierter Nazer-Score >6. Die Ausschlusskriterien für alle Teilnehmerinnen waren eine bekannte Überempfindlichkeit gegen 64Cu oder andere Inhaltsstoffe der Tracer-Säuglingsnahrung, Schwangerschaft, Stillzeit oder der Wunsch, vor Ende der Studie schwanger zu werden.
1. Herstellung von 64CuCl2
- 64CuCl2 in Salzsäure (0,1 M) auflösen und Natriumacetatpuffer (0,5 M) hinzufügen, um den pH-Wert auf ~5 zu erhöhen. Mit Kochsalzlösung formulieren und die Lösung filtern und sterilisieren, indem sie durch einen 0,22-μm-Filter geleitet wird (siehe Materialtabelle).
HINWEIS: Natriumacetatpuffer (0,5 M) wird aus Natriumacetattrihydrat und sterilem Wasser hergestellt, das durch einen 0,22 μm Sterilisationsfilter geleitet wird. - Zur Qualitätskontrolle der hergestellten 64CuCl2-Lösung sind eine pH-Messung, ein bakterieller Endotoxintest, eine Bestimmung der radiochemischen Reinheit und eine radionuklidische Identifizierung 7,8 durchzuführen.
- Lagern Sie das Produkt in einem Bleibehälter bei Raumtemperatur und bewahren Sie es in Quarantäne auf, bis alle Qualitätskontrollspezifikationen zufriedenstellend erfüllt sind.
ANMERKUNG: Für die vorliegende Studie wurde 64CuCl2 mit einer radionuklidischen Reinheit von ≥99 % und einer radiochemischen Reinheit von ≥95 %) hergestellt. Der als Ausgangsmaterial verwendete Solid 64CuCl2 wurde aus einer kommerziellen Quelle gewonnen (siehe Materialtabelle).
2. Vorbereitung des PET-Scanners
- Führen Sie am Scanner eine Qualitätsprüfung (QC)9 gemäß dem Protokoll des Herstellers durch (siehe Materialtabelle).
HINWEIS: QCs müssen täglich morgens vor den Patientenscans durchgeführt werden.
3. Zeichnung des Tracers für die intravenöse (i.v.) Injektion und die orale (PO) Verabreichung
- Tragen Sie Plastikhandschuhe und entfernen Sie den Deckel vom Bleibehälter.
- Desinfizieren Sie mit einer langen Pinzette die Gummimembran der tracerhaltigen Glasflasche im Inneren des Bleibehälters mit einem Desinfektionstupfer.
- Führen Sie mit einer Pinzette eine kurze Kanüle (~0,5 mm x 16 mm) in die Membran ein, um ein Überlaufen des Vakuums in der Flasche zu vermeiden.
- Verwenden Sie eine Pinzette, um eine längere Kanüle einzuführen, aus der Sie ziehen können. Diese Kanüle sollte lang genug sein, um den Boden der Flasche zu erreichen (normalerweise 50 mm).
- Stellen Sie sicher, dass der Dosiskalibrator (siehe Materialtabelle) für 64Cu kalibriert ist. Berechnen Sie ein ungefähres Volumen, das für die erste Ziehung gezeichnet werden soll.
HINWEIS: Aus den Berichten zur chemischen Qualitätskontrolle sind die Aktivitätsmenge und das Volumen der Flüssigkeit verfügbar, so dass ein ungefähres Volumen berechnet werden kann. - Tragen Sie Plastikhandschuhe, führen Sie eine Plastikspritze in geeigneter Größe in die lange Kanüle ein und entnehmen Sie das berechnete Volumen. Dieses Volumen hängt von der Konzentration von 64 Cu im Produkt ab und davon, wie viel 64Cu für das Protokoll festgelegt wird (siehe Dosisberechnungen unter den repräsentativen Ergebnissen).
- Verwenden Sie eine Pinzette, um die Kanüle zu halten, während Sie die Spritze zum Dosiskalibrator bewegen, um die Radioaktivität zu messen.
- Ziehen Sie so lange, bis die entsprechende Radioaktivitätsmenge erreicht ist. Etwa 5 % des Tracers verbleiben nach der Injektion in der Spritze und Kanüle.
Anmerkungen: Das 64Cu sollte nicht in Salzwasser verdünnt werden, da der Tracer ausfallen kann. Daher kann die Spritze nach der Injektion nicht mit Salzwasser gespült werden (dies ist für die PO-Verabreichung nicht relevant). - Setzen Sie mit der Pinzette eine Kanüle mit einer Kappe (~16 mm Kanüle) an, um die Spritze zu verschließen, und bewahren Sie sie bis zur Anwendung in einem Bleibehälter auf.
4. Anwendung des Tracers
- Intravenöse Injektion
- Führen Sie eine intravenöse Kanüle (~22 G, 25 mm) ein, vorzugsweise in eine Kubitalvene, und spülen Sie sie mit Salzwasser ab, um eine korrekte Platzierung zu gewährleisten.
HINWEIS: Ein Arbeitsblatt mit dem Namen des Teilnehmers, einem Stempel oder einer Unterschrift für die Freigabe der Tracer-Qualitätskontrolle sowie Zeitpunkten und Radioaktivität für das Zeichnen, die Injektion und den übrig gebliebenen Tracer sollte verfügbar sein. - Messen Sie die Radioaktivität in der Spritze mit dem verfügbaren Dosiskalibrator und notieren Sie die Zeit und Aktivität auf dem Arbeitsblatt.
- Transportieren Sie die Spritze in einem Bleibehälter an das Bett des Teilnehmers.
- Wenn die Injektion zu einem Überlaufen kommt, legen Sie eine Serviette unter den Ellbogen des Teilnehmers, damit die verschüttete Radioaktivität gemessen werden kann.
- Entfernen Sie mit einer Pinzette die Kappe/Kanüle von der Spritze und verbinden Sie die Spritze mit Plastikhandschuhen mit dem Infusionszugang. Notieren Sie sich die Zeit auf dem Arbeitsblatt und injizieren Sie in einer gleichmäßigen Bewegung.
Anmerkungen: Wie bereits erwähnt, sollte die Spritze nicht mit Kochsalzlösung gespült werden, da der Tracer ausfallen kann. - Nehmen Sie die Spritze aus dem Infusionszugang, setzen Sie die Kappe/Kanüle auf und legen Sie sie bei Bedarf in den Elektrodenbehälter mit der Serviette.
- Spülen Sie den Infusionszugang mit Salzwasser durch.
- Notieren Sie die Zeit und die verbleibende Radioaktivität in der Spritze auf dem Arbeitsblatt.
HINWEIS: Die injizierte Aktivität wird als Differenz zwischen der Spritzenaktivität vor und nach der Injektion berechnet, wobei jedoch das PET-Scan-Protokoll verwendet wird, um Karies zu korrigieren. So werden alle drei Zeitpunkte (Entnahme-, Injektions- und Restemessung) und die gemessene Radioaktivität bei der Entnahme und den Restemessungen in das PET-Scan-Protokoll eingetragen, wenn der Teilnehmer gescannt wird (siehe Schritt 5). - Entsorgen Sie das übrig gebliebene Material gemäß den Sicherheitsvorschriften der Einrichtung ordnungsgemäß.
- Entfernen Sie den IV-Zugang. Falls allergische Reaktionen auftreten, lassen Sie den Infusionszugang 30 Minuten lang drinnen.
- Führen Sie eine intravenöse Kanüle (~22 G, 25 mm) ein, vorzugsweise in eine Kubitalvene, und spülen Sie sie mit Salzwasser ab, um eine korrekte Platzierung zu gewährleisten.
- Orale Verabreichung
HINWEIS: Ein Arbeitsblatt mit dem Namen des Teilnehmers, einem Stempel oder einer Unterschrift für die Freigabe der Tracer-Qualitätskontrolle sowie Zeitpunkten und Radioaktivität für das Zeichnen, die Verabreichung und den übrig gebliebenen Tracer sollte verfügbar sein.- Gießen Sie in einen Einweg- und Weichplastikbecher etwa 100 ml Wasser oder Likör; die 64Cu ist geschmacksneutral. Ein Einweg-Plastikstrohhalm und eine kleine Einweg-Plastiktüte sollten vorhanden sein.
- Messen Sie die Radioaktivität in der Spritze mit dem verfügbaren Dosiskalibrator und notieren Sie die Zeit und Aktivität auf dem Arbeitsblatt.
- Transportieren Sie die Spritze in einem Bleibehälter an das Bett des Teilnehmers. Der Teilnehmer sollte in einem Bett oder Stuhl sitzen.
- Entfernen Sie die Kappe/Kanüle mit einer Pinzette von der Spritze und injizieren Sie den Tracer mit Plastikhandschuhen in den Becher, wobei Sie darauf achten sollten, dass nichts verschüttet wird. Ziehen Sie etwas von dem Wasser/Kräuterlikör auf und injizieren Sie es erneut in die Tasse.
- Legen Sie einen Plastikstrohhalm in den Becher (um das Risiko eines Überlaufens beim Trinken zu minimieren).
- Notieren Sie sich die Zeit auf dem Arbeitsblatt und lassen Sie den Teilnehmer trinken. Der Becher sollte so leer wie möglich sein.
- Legen Sie den leeren Becher und den Strohhalm in die Einweg-Plastiktüte mit der leeren Spritze und legen Sie sie in den Bleibehälter.
- Notieren Sie sich die Zeit und messen Sie die verbleibende Radioaktivität in der Spritze. Notiz im Arbeitsblatt.
HINWEIS: Die injizierte Aktivität wird als Differenz zwischen der Spritzenaktivität vor und nach der Injektion berechnet, wobei jedoch das PET-Scan-Protokoll verwendet wird, um Karies zu korrigieren.
So werden alle drei Zeitpunkte (Entnahme-, Injektions- und Restemessung) und die gemessene Radioaktivität bei der Entnahme und Restemessung in das PET-Scan-Protokoll eingetragen, wenn der Teilnehmer gescannt wird (siehe Scan).
- Entsorgen Sie das übrig gebliebene Material gemäß den Sicherheitsvorschriften der Einrichtung ordnungsgemäß.
Anmerkungen: Es kann angemessen sein, den Teilnehmer nach der Einnahme 30 Minuten lang auf akute allergische Reaktionen zu beobachten.
5. PET-Scans
- Legen Sie den Teilnehmer in Rückenlage in den Scanner.
- Führen Sie eine Übersichts-CT- oder MR-Untersuchung durch, um die spezifische Region zu planen, die während des PET-Scans untersucht werden soll.
- Notieren Sie den Zeitpunkt der Entnahme, Injektion und Restemessung sowie die Radioaktivität bei der Entnahme und Restemessung im PET-Protokoll.
- Führen Sie einen PET-Scan durch, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
HINWEIS: Das PET-Scan-Protokoll muss in Bezug auf die Scandauer und die Bildrekonstruktionsparameter für alle Teilnehmer derselben Studie standardisiert werden. Veröffentlichten Berichten sollte 10,11,12 gefolgt werden.- Führen Sie statische PET-Scans mit einer Scanzeit von 4,5 min/Bettposition für bis zu 24 h nach Tracer-Verabreichung und 10 min/Bettposition für bis zu 68 h nach Tracer-Verabreichung durch (für weitere Ausführungen siehe Scan unter den repräsentativen Ergebnissen).
HINWEIS: Beim dynamischen PET-Scannen wird der Zerfall kontinuierlich aufgezeichnet und anschließend in eine Rahmenstruktur segmentiert. Dies ermöglicht die Auswahl von Frames aus kurzen Zeitintervallen, um die Dynamik der 64-Cu-Verteilungzu betonen, und Frames aus längeren Zeitintervallen, um die Empfindlichkeit zu priorisieren. Typischerweise werden kürzere Intervalle direkt nach der Injektion gewählt und danach allmählich erhöht10.
- Führen Sie statische PET-Scans mit einer Scanzeit von 4,5 min/Bettposition für bis zu 24 h nach Tracer-Verabreichung und 10 min/Bettposition für bis zu 68 h nach Tracer-Verabreichung durch (für weitere Ausführungen siehe Scan unter den repräsentativen Ergebnissen).
6. Bildrekonstruktion
- Rekonstruieren Sie die Bilder mit den besten verfügbaren Korrekturen für Dämpfung, Streuung, Laufzeit und Punktspreizfunktion.
HINWEIS: Die Parameter für die Bildrekonstruktion müssen sorgfältig ausgewählt werden, um die Bildeigenschaften zu optimieren, wie z. B. Signalwiederherstellung und Signal-Rausch-Verhältnis. Für multizentrische Studien ist es wichtig, die Bildqualität zwischen den Zentren zu standardisieren.
7. Datenanalyse
HINWEIS: Die vorliegende Studie beschreibt eine einfache Methode zur Quantifizierung des 64-Cu-Gehalts in der Leber. Das PET-Signal wird als Standard-Aufnahmewert (SUV) gemessen, wobei die Radioaktivitätskonzentration des Gewebes an das Gewicht der injizierten Aktivität des Teilnehmers und/oder Kilobecquerel (kBq) pro ml Gewebe angepasst ist.
- Laden Sie Daten in ein geeignetes Programm, z. B. Dicom-Dateien, auf PMOD herunter.
HINWEIS: Es gibt wahrscheinlich viele verschiedene Programme zur Analyse von PET-Bildern, wie z. B. Hermes oder PMOD (siehe Materialtabelle). - Passen Sie die CT/MR-Scantöne an, um die anatomischen Strukturen zu unterscheiden.
- Stellen Sie sicher, dass sich der anatomische Scan und der PET-Scan überlappen.
- Arbeiten Sie in der horizontalen Ebene mit dem besten MRT- oder CT-Scan, lokalisieren Sie die Leber und die großen Strukturen.
- Platzieren Sie ein angemessenes Volumen von Interesse (VOI) oder mehrere VOIs in der Leber.
HINWEIS: Ein VOI ist ein definierter Gewebebereich, in dem der SUV gemessen wird. Ein VOI besteht aus mehreren Regions of Interest (ROIs), bei denen es sich um Gewebebereiche in einer Ebene handelt. Viele Programme haben sphärische VOIs als Voreinstellung, was bedeutet, dass nicht mehrere ROIs (einer in jeder Ebene) gezeichnet werden müssen, um einen VOI zu bilden. Der rechte Leberlappen ist tendenziell homogener und daher eine gute Position, um VOIs zu platzieren. - Platzieren Sie mehrere VOIs im rechten Leberlappen in verschiedenen horizontalen Ebenen, um ein möglichst genaues Maß für die Aktivität zu erreichen, da der SUV im rechten Leberlappen etwas variieren kann (~5%). Berechnen Sie den mittleren SUV dieser VOIs.
- Um den SUV z. B. in der gesamten Leber zu quantifizieren, zeichnen Sie ROIs, die das gesamte Lebervolumen in jeder Ebene für Dosimetriestudien abdecken.
HINWEIS: Vermeiden Sie bei dieser Methode große Strukturen wie Arterien und Venen.
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Representative Results
Dosisberechnung
Basierend auf Dosimetrieberechnungen beträgt die effektive Radioaktivitätsdosis für die intravenöse Verabreichung 62 ± 5 μSv/MBq Tracer10. Daher wird je nach Zeitrahmen eine Dosis von 50 MBq empfohlen. Bis zu 75-80 MBq sind für längere Untersuchungen geeignet und liefern Bilder in guter Qualität, ohne eine ethisch zulässige Dosis zu überschreiten. Die effektive Dosis für die orale Verabreichung beträgt 113 ± 1 μSv/MBq Tracer, was auf die intestinale Akkumulation des Tracers zurückzuführen ist. Daher muss eine niedrigere Dosis in Betracht gezogen werden, und für bis zu 24 Stunden nach der Injektion reichen 30 MBq aus, um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten. Fruchtbare Teilnehmerinnen sollten vor der Tracerapplikation immer um einen negativen Schwangerschaftstest gebeten werden.
Abtasten
Bei sehr langen Untersuchungen, die durchgeführt werden, um die 64-Cu-Bioverteilung und -Kinetik über Stunden oder Tage zu verfolgen, wird die PET-Untersuchung als mehrere separate statische PET-Scans durchgeführt. So kann sich der Patient zwischen den PET-Untersuchungen ausruhen. Die Dauer jeder PET-Untersuchung wird angepasst, um die beste Bildqualität zu erzielen (d. h. die Scanzeit verlängert sich, wenn der injizierte Tracer zerfällt). Ein Beispiel für Scanzeiten, die eine gute Bildqualität liefern, sind 4,5 min/Bettposition für bis zu 20 h nach Tracergabe und 10 min/Bettposition für bis zu 68 h nach Tracerverabreichung. Längere Scanzeiten können für eine noch bessere Bildqualität sorgen, aber zu lange Scans sind für den Patienten undurchführbar und unangenehm. Daher ist die Länge der Scans durch praktische Aspekte begrenzt.
Datenanalyse
SUV ist eine hervorragende Maßnahme, um Personen (aufgrund der Gewichtsanpassung) und dieselben Personen vor und nach einem Eingriff zu vergleichen. Eine Standardabweichung des SUV im VOI ist aus dem Datenanalyseprogramm (z. B. PMOD) verfügbar. Diese Standardabweichung nimmt mit der Zeit nach der Injektion zu, da das Geräusch zunimmt.
Abbildung 1 zeigt 64Cu im Körper 6 h und 20 h nach intravenöser Injektion von ~70 MBq Tracern bei einem gesunden Probanden und einem Probanden mit WD10. Die Bilder sind qualitativ einfach zu interpretieren, da das 64Cu in der Gallenblase (in der Abbildung schwer zu erkennen), im Dünndarm und später im Dickdarm schnell sichtbar ist, während es sich beim Patienten in der Leber anreichert. Der Darm ist auch auf dem Scan des Patienten sichtbar, allerdings nicht ab 64Cu im Darmlumen, sondern aus den Blutgefäßen des Darms. Der Darm ist dadurch sichtbar, dass das 64 Cu homogener über das gesamte Darmsegment verteilt ist, während bei gesunden Probanden das 64Cu in Segmenten mit höheren Signalen sichtbar ist. Der 64-Cu-Gehaltin der Leber wurde weiter quantifiziert, indem fünf kugelförmige VOIs mit einem Durchmesser von 10 mm in verschiedenen Ebenen im rechten Leberlappen platziert wurden, wodurch für jeden Teilnehmer ein mittlerer SUV im Organ ermittelt wurde, und dann der mittlere SUV der Gruppe für den Vergleich zwischen den Gruppen berechnet wurde.
Abbildung 1: PET-Scan, der eine Cu-Verteilung von 64bei gesunden Probanden und WD-Probanden nach intravenöser Verabreichung zeigt. Diese Abbildung zeigt 64Cu im Körper 6 h und 20 h nach intravenöser Injektion von ~70 MBq Tracer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse von 64Cu-Scans mit dem oral verabreichten Tracer bei zwei Personen. Beide sind WD-Patienten, aber die unterste Person wird mit Zink behandelt, was zeigt, dass die Zinkbehandlung die Kupferaufnahme im Darm und damit in der Leber reduziert. Dies ist ein bekannter Effekt der Zinkbehandlung13. Während oral verabreichter Tracer die physiologische Art der Aufnahme von Kupfer ist, kann es schwierig sein, ihn für die Diagnostik zu verwenden, da nur 50% des 64Cu aus dem Darm in den systemischen Kreislauf aufgenommen werden (der größte Teil des Tracers geht in die Leber). Um jedoch die Auswirkungen pharmakologischer Arzneimittel auf die Kupferaufnahme zu demonstrieren, was bei WD von großem Interesse sein könnte, hat sich die Methode als wertvoll erwiesen11. Dies ist in Abbildung 3 zu sehen, in der dieselbe Person vor und nach 4-wöchiger Behandlung mit Zink11 mit oralem 64Cu gescannt wurde. Die Hypothese der Studie bestand darin, die Wirkung von Zink auf die Blockade der intestinalen Kupferaufnahme zu quantifizieren, indem der Kupfergehalt in der Leber geschätzt wurde. Die Studie wurde mit verschiedenen Zinksalzen und Dosierungsschemata durchgeführt und demonstriert die Qualitäten der Methode bei der Prüfung von Behandlungseffekten. Die Fähigkeit der Methode, andere Behandlungseffekte bei Tieren und Menschen zu quantifizieren, wird getestet.
Abbildung 2: PET-Scan mit einer Cu-Verteilung von 64bei zwei WD-Patienten nach oraler Verabreichung. Der Patient im oberen Bereich ist ohne Zinkbehandlung, und der Patient im unteren Bereich ist mit Zink behandelt. Beachten Sie den Signalunterschied in der Leber. Grafik mit Leber-SUV. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Die Auswirkungen pharmakologischer Arzneimittel auf die Kupferaufnahme. PET/CT-Scan mit oral verabreichtem 64Cu vor (A) und nach (B) 4-wöchiger Zinkbehandlung. Der Teilnehmer ist ein gesunder Mensch (beachten Sie die 64Cu in der Gallenblase, die bei einem WD-Patienten nicht zu sehen wären). Die Zinkbehandlung reduzierte den Cu-Gehalt in der Leber um 64% auf etwa 50 % des Gehalts vor der Behandlung in der Gruppe (10 Teilnehmer). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
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Discussion
Die Methode ist wie jede andere PET-Methode, aber die lange Halbwertszeit von 12,7 h bietet die Möglichkeit, langfristige Kupferflüsse zu untersuchen (wir haben gute Ergebnisse von bis zu 68 h nach intravenöser Tracerinjektion). Alle Schritte des Protokolls müssen von Personal durchgeführt werden, das mit PET vertraut ist, obwohl sie nicht kritischer sind als jede andere PET-Untersuchung.
Fehlerbehebung
Da wir häufig 64Cu für Langzeituntersuchungen verwenden, ist das PET-Signal verrauschter als üblich. Dies ist bei der Quantifizierung von PET-Signalen zu beachten, insbesondere in kleineren Organen wie der Gallenblase. Das Signal in der Gallenblase ist schwer von einem Spill-over aus Leber und Dickdarm zu unterscheiden. In diesem Fall sind kleinere VOIs zentral in der Orgel am zuverlässigsten.
Die Menge von 64Cu in der Leber variiert unserer Erfahrung nach trotz intravenöser Injektion von Person zu Person (bei einem oral verabreichten Tracer ist mit einer ziemlich großen Varianz in der Traceraufnahme aus dem Darm zu rechnen). Dies schränkt die Vergleiche zwischen Individuen ein und erfordert die Verwendung von Verhältnissen anstelle bestimmter Zahlen. Wenn eine orale Tracergabe bevorzugt wird, wird empfohlen, die Versuchsteilnehmer mindestens 24 Stunden vor der Traceraufnahme mit einer standardisierten Diät zu versorgen, um intraindividuelle Unterschiede zu begrenzen, da verschiedene Lebensmittel die Kupfer- und damit die 64-Cu-Aufnahmebeeinträchtigen können11.
Begrenzungen
Bei der 64-Cu-PET-Methode wird davon ausgegangen, dass sich das "heiße" Kupfer (64Cu) wie das "kalte" Kupfer im Körper verhält. Dies ist jedoch nicht sicher, und wir können daher nicht feststellen, ob das "heiße" Kupfer im Körper anders behandelt wird. Aufgrund der aktuellen Ergebnisse glauben wir jedoch, dass sich "heißes" Kupfer wie "kaltes" Kupfer verhält. Bei gesunden Personen wird ein Anstieg der Radioaktivität im Blut nach 20 Stunden beobachtet, was darauf hindeutet, dass das 64Cu in Ceruloplasmin eingebaut ist. Dieser Anstieg ist bei WD-Patienten nicht zu beobachten, die aufgrund ihrer Erkrankung kein Kupfer in das kupfertragende Protein einbauen können. Dies und die fehlende Tracerausscheidung bei Patienten deuten darauf hin, dass 64Cu als "kaltes" Kupfer wirkt.
Obwohl 68 h eine lange Zeit sind, um einem radioaktiven Tracer zu folgen, sollte er dennoch als temporäres Bild dessen betrachtet werden, was mit Kupfer im Körper passiert. Ein Beispiel ist, dass, obwohl bei Personen, die heterozygot für das WD-Gen heterozygot sind, und damit mehr 64 Cu in der Leber nach 20 h eine verzögerte Ausscheidung von 64Cu beobachtet wird, sie keine Lebererkrankung haben, da sie langfristig kein Kupfer akkumulieren.
Bisher ist nicht bekannt, ob es einen Zusammenhang zwischen einer kurzfristigen Kupferakkumulation (bis zu 68 h) und einer langfristigen Kupferakkumulation in der Leber und anderen Organen gibt. Daher kann die Methode nicht verwendet werden, um den Schweregrad der Erkrankung oder die Langzeitwirkungen von pharmakologischen Wirkstoffen zu bestimmen. Die Methode ist jedoch sehr nützlich, um die kurzfristigen Auswirkungen der Behandlung zu bestimmen. Es kann verwendet werden, um zu testen, ob eine Behandlung die Gallen- oder Harnausscheidung bis zu 68 Stunden nach der Kupferaufnahme erhöht oder ob eine Behandlung die intestinale Kupferaufnahme verringert.
Bedeutung
Experimente mit 64Cu in WD sind keine neue Technik. Tatsächlich geht die intravenöse Verabreichung des Tracers und Blutmessungen der Radioaktivität auf die 1950er Jahre zurück14. Hochauflösende PET-Scanner und die Kombination mit CT oder MR bieten heute eine einzigartige Möglichkeit, die Verteilung von 64Cu im gesamten Körper zu untersuchen. Mit dynamischer PET können die kinetischen Eigenschaften des Tracers weiter aufgeklärt werden. Aufgrund des begrenzten Sichtfelds von PET-Scannern war es bisher nicht möglich, kinetische Analysen der Bioverteilung von Kupfer im Körper durchzuführen. Bisher war die dynamische Aufnahme auf die Leber und den Oberbauch beschränkt, aber das Aufkommen von Ganzkörperscannern wird die gleichzeitige Untersuchung größerer Bereiche ermöglichen. Dies wird die Untersuchung der Anfangszeit nach der Injektion von 64Cu in mehrere Organe erleichtern, aber da späte Zeitpunkte nach der Injektion für kupferbedingte Erkrankungen relevanter sind, wird erwartet, dass Ganzkörperscanner aufgrund ihrer erhöhten Empfindlichkeit aussagekräftiger sind. Dies ermöglicht eine qualitativ hochwertige Bildgebung auch bei niedrigen Radioaktivitätswerten und übertrifft die Möglichkeiten aktueller Scanner.
Zukünftige Anwendungen
Beim Menschen hat die Technik gezeigt, dass sie das Potenzial hat, WD10 zu diagnostizieren und die Wirkung verschiedener Behandlungen auf die Kupferaufnahme zu quantifizieren11. Bei Tieren hat sich gezeigt, dass die Methode in der Lage ist, die Wirkung der Gentherapie der WD durch die Quantifizierung der hepatischen Retention von 64Cu sowie der Stuhlausscheidung und Veränderungen der Blutkinetik zu zeigen15. Es wird erwartet, dass in Zukunft 64Cu PET/CT oder PET/MR in einem klinischen Umfeld sowohl für die Diagnose als auch für die Behandlungsbewertung bei WD gesehen werden. Die Methode wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch Teil vieler klinischer Studien sein, die sich mit neuen Therapien für WD befassen, insbesondere mit der Gentherapie, bei der die fäkale Ausscheidung des intravenös injizierten Tracers ein Surrogatmarker für Wirkung15 sein könnte. Derzeit liegen keine guten Daten für die Aufnahme von 64Cu im Gehirn vor, aber dies wäre für klinische Studien bei WD von hoher Relevanz.
Die Technik wurde bei Morbus Menke noch nicht erforscht, könnte aber möglicherweise die Aufnahme von Kupfer aus dem Darm und die Aufnahme von Kupfer in das Gehirn als Behandlungseffekt zeigen. Die Technik könnte auch bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer Potenzial haben, bei denen der Kupferstoffwechsel verändert sein kann16.
Es ist erwähnenswert, dass 64 Cu in den USA mit der zunehmenden Verwendung von 64Cu-Dotatat in der neuroendokrinen Tumordiagnostik (NET) weit verbreitet wird. Darüber hinaus zeigt 67Cu Potenzial in der Krebs-Theranostik; Auf diese Weise kann dieser Tracer auch besser verfügbar werden.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Unterstützt durch ein Stipendium der Memorial Foundation des Herstellers Vilhelm Pedersen & Wife. Die Stiftung spielte weder bei der Planung noch in einer anderen Phase der Studie eine Rolle.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.22 micrometer sterilizing filter | Merck Life Science | ||
| Cannula 21 G 50 mm | BD Microlance | 301155 | |
| Cannula 25 G 16 mm | BD Microlance | 300600 | |
| Dose calibrator | Capintec CRC-PC calibrator | ||
| PET/CT scanner | Siemens: Biograph | ||
| PET/MR scanner | GE Signa | ||
| PMOD version 4.0 | PMOD Technologies LLC | ||
| Saline solution 0.9% NaCl | Fresenius Kabi | ||
| Sodium acetate trihydrate BioUltra | Sigma Aldrich | 71188 | |
| Solid 64CuCl2 | Danish Technical University Risø | ||
| Sterile water | Fresenius Kabi | ||
| Venflon 22 G 25 mm | BD Venflon Pro Safety | 393280 |
References
- Tümer, Z., Møller, L. B.
- Ala, A., Walker, A. P., Ashkan, K., Dooley, J. S., Schilsky, M. L.
- Owen, C. A. Absorption and excretion of Cu64-labeled copper by the rat. The American Journal of Physiology-Legacy Content. 207 (6), 1203-1206 (1964).
- Osborn, S. B., Roberts, C. N., Walshe, J. M. Uptake of radiocopper by the liver. A study of patients with Wilson's disease and various control groups. Clinical Science. 24, 13-22 (1963).
- Vierling, J. M., et al. Incorporation of radiocopper into ceruloplasmin in normal subjects and in patients with primary biliary cirrhosis and Wilson's disease. Gastroenterology. 74 (4), 652-660 (1978).
- Gibbs, K., Walshe, J. M. Studies with radioactive copper (64Cu and 67Cu); the incorporation of radioactive copper into caeruloplasmin in Wilson's disease and in primary biliary cirrhosis. Clinical Science. 41 (3), 189-202 (1971).
- Kume, M., et al. A semi-automated system for the routine production of copper-64. Applied Radiation and Isotopes: Including Data, Instrumentation and Methods for Use in Agriculture, Industry and Medicine. 70 (8), 1803-1806 (2012).
- Ohya, T., et al. Efficient preparation of high-quality 64Cu for routine use. Nuclear Medicine and Biology. 43 (11), 685-691 (2016).
- Koole, M., et al. EANM guidelines for PET-CT and PET-MR routine quality control. Zeitschrift für Medizinische Physik. , (2022).
- Sandahl, T. D., et al. The pathophysiology of Wilson's disease visualized: A human 64Cu PET study. Hepatology. 76 (6), 1461-1470 (2022).
- Munk, D. E., et al. Effect of oral zinc regimens on human hepatic copper content: a randomized intervention study. Scientific Reports. 12 (1), 14714 (2022).
- Kjærgaard, K., et al. Intravenous and oral copper kinetics, biodistribution and dosimetry in healthy humans studied by 64Cu]copper PET/CT. EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry. 5 (1), 15 (2020).
- Brewer, G. J. Zinc acetate for the treatment of Wilson's disease. Expert Opinion on Pharmacotherapy. 2 (9), 1473-1477 (2001).
- Bush, J. A., et al. Studies on copper metabolism. XVI. Radioactive copper studies in normal subjects and in patients with hepatolenticular degeneration. Journal of Clinical Investigation. 34 (12), 1766-1778 (1955).
- Murillo, O., et al. High value of 64Cu as a tool to evaluate the restoration of physiological copper excretion after gene therapy in Wilson's disease. Molecular Therapy - Methods & Clinical Development. 26, 98-106 (2022).
- Squitti, R., et al. Copper dyshomeostasis in Wilson disease and Alzheimer's disease as shown by serum and urine copper indicators. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 45, 181-188 (2018).
