Quantitativo [18F]-Naf-PET-MRI Analisi per la valutazione del fatturato osseo dinamico in un paziente con mal di schiena facetogenico

Summary

Le tecniche di imaging che riflettono il turnover dinamico osseo possono aiutare a caratterizzare un’ampia gamma di patologie ossee. Presentiamo metodologie dettagliate per l’esecuzione e l’analisi di dati dinamici [¹⁸F]-NaF-PET-MRI in un paziente con lombalgia tonogenica utilizzando le articolazioni sfaccettate lombare come regione prototipo di interesse.

Abstract

Le tecniche di imaging che riflettono il turnover dinamico osseo possono aiutare a caratterizzare un’ampia gamma di patologie ossee. L’osso è un tessuto dinamico sottoposto a continuo rimodellamento con l’attività concorrente degli osteoblasti, che producono la nuova matrice ossea, e gli osteoclasti, la cui funzione è quella di eliminare l’osso mineralizzato. [¹⁸F]-NaF è un radiotracer a emissione di positroni (PET) che consente la visualizzazione del metabolismo osseo. [¹⁸F]-NaF viene assorbito chimicamente nell’idrossiapatite nella matrice ossea dagli osteoblasti e può quindi rilevare in modo non invasivo l’attività osteoblastica, che è occulta alle tecniche di imaging convenzionali. La modellazione cinetica dei dati dinamici [¹⁸F]-NaF-PET fornisce misure quantitative dettagliate del metabolismo osseo. I dati PET semi-quantitativi convenzionali, che utilizzano valori di assorbimento standardizzati (SUV) come misura dell’attività del radiotracciante, sono indicati come una tecnica statica a causa della sua istantanea dell’assorbimento del tracciante nel tempo.  La modellazione cinetica, tuttavia, utilizza dati di immagine dinamici in cui i livelli di tracciante vengono continuamente acquisiti fornendo una risoluzione temporale di acquisizione tracciante. Dalla modellazione cinetica dei dati dinamici, è possibile estrarre valori quantitativi come il flusso sanguigno e il tasso metabolico (cioè metriche potenzialmente informative delle dinamiche traccianti), il tutto rispetto all’attività misurata nei dati immagine. In combinazione con la DOPPIA modalità PET-MRI, i dati cinetici specifici della regione possono essere correlati con informazioni strutturali e patologiche ad alta risoluzione registrate anatomicamente offerte dalla risonanza magnetica. L’obiettivo di questo manoscritto metodologico è quello di delineare tecniche dettagliate per l’esecuzione e l’analisi dei dati dinamici^[18F]-NaF-PET-MRI. L’articolazione sfaccettata lombare è un sito comune di malattia degenerativa dell’artrite e una causa comune per il mal di schiena assiale.  Studi recenti suggeriscono che [¹⁸F]-NaF-PET può servire come biomarcatore utile della dolorosa malattia facetogenica.  L’articolazione della sfaccettatura lombare umana sarà quindi utilizzata come regione prototipo di interesse per l’analisi dinamica^[18F]-NaF-PET-MRI in questo manoscritto.

Introduction

Le tecniche di imaging clinico standard della patologia ossea sono principalmente limitate alla caratterizzazione dei cambiamenti strutturali, che possono essere non specifici. Ad esempio, anomalie morfologiche asintomatiche legate al normale invecchiamento possono essere indistinguibili dalle alterazioni degenerative che sono responsabili di forti dolori e disabilità¹. L’osso è un tessuto dinamico sottoposto a continuo rimodellamento con l’attività concorrente degli osteoblasti, che producono la nuova matrice ossea, e gli osteoclasti, la cui funzione è quella di eliminare l’osso mineralizzato². [¹⁸F]-NaF è un radiotracciatore a emissione di positroni (PET) che consente la visualizzazione del metabolismo dei tessuti ossei. [¹⁸F]-NaF viene assorbito chimicamente nell’idrossiapatite nella matrice ossea dagli osteoblasti e può quindi rilevare in modo non invasivo l’attività osteoblastica, rilevando così un processo metabolico occulto alle tecniche di imaging convenzionali. Di conseguenza, [¹⁸F]-NaF è stato utilizzato per caratterizzare la patologia ossea in un numero crescente di disturbi ossei tra cui neoplasmi, malattie infiammatorie e degenerative dell’osso e delle articolazioni^3,4,5 .

I dati PET sono più comunemente analizzati in modo semi-quantitativo, che può essere facilmente eseguito nella pratica clinica di routine con valori di assorbimento standardizzati (SUV). Come metrica, i SUV sono utili ai medici in quanto rappresentano l’assorbimento dei tessuti rispetto al resto del corpo⁶. I valori delle scansioni successive possono essere utilizzati per osservare cambiamenti nell’assorbimento a seguito del trattamento o della progressione della malattia. La natura numerica dei SUV aiuta anche a confrontare tra i pazienti e tra scansioni successive nello stesso paziente. L’algoritmo utilizzato per calcolare i SUV, Equation 1, presuppone che il tracciante sia equamente distribuito in tutto il corpo e che la massa magra del corpo rappresenti accuratamente l’intero volume del corpo. Di conseguenza, i SUV sono una misura semi-quantitativa. Per una determinata regione di interesse (ROI), SUV_max (il valore massimo di SUV all’interno di un ROI) e la_media SUV (la media di tutti i SUV campionati all’interno di un ROI) sono comunemente utilizzati metriche SUV nella pratica clinica⁶.

La modellazione cinetica dei dati PET dinamici può essere eseguita anche per un’analisi quantitativa più dettagliata. Mentre l’acquisizione dei dati SUV è statica, la modellazione cinetica utilizza dati di immagine dinamici in cui i livelli di tracciante vengono continuamente acquisiti fornendo una dimensione temporale.  Dalla modellazione cinetica più complessa dei dati dinamici, i valori quantitativi e le metriche informative delle dinamiche di tracciamento possono essere estratti rispetto all’attività misurata nei dati immagine. Un modello di compartimento a due tessuti di esempio impiegato per la modellazione cinetica dinamica è illustrato nella figura 1⁷.  C_p è la concentrazione di tracciante nel plasma sanguigno, mentre C_{e t} rappresentano la concentrazione nello spazio interstiziale non legato e nel tracciante legato rispettivamente nella matrice ossea bersaglio. K_1, k₂, k₃, k₄sono 4 parametri di velocità che descrivono il modello cinetico per il lavaggio e l’attacco tracciativi. K₁ descrive il tracciante prelevato dal plasma arterioso nello spazio interstiziale (C_t), k₂ descrive la frazione di tracciante che si diffonde dallo spazio interstiziale al plasma k₃ descrive il tracciante che si sposta da interstiziale (C_e) spazio all’osso (C_t) e k₄ descrive il tracciante che si sposta dall’osso (C_t) allo spazio interstiziale (C_e).

Figura 1 . Un modello di scomparto a due tessuti campione per la modellazione cinetica dinamica. C_p è la concentrazione del tracciante nel compartimento del plasma sanguigno,_la concentrazione di tracciari libera e non specificamente legata nel tessuto e la concentrazione del tracciante C_t specificamente legata nel tessuto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il modello cinetico Patlak produce K_{i_Patlak} come misura del tasso di afflusso del radiotracer (mL/ccm/min, cm cubico e ccm) dalla pozza sanguigna alla matrice ossea. Il tasso di afflusso tracciante dalla pozza sanguigna alla matrice ossea può quindi essere calcolato utilizzando l’equazione 2 e l’equazione 3 per K_{i_Patlak} e K_{i_NonLinear} rispettivamente. K_{i_Patlak} e K_{i_NonLinear} sono le velocità con cui [¹⁸F]-NaF lascia la pozza di sangue arterioso e si lega in modo irreversibile a una matrice ossea del sito secondario, utilizzando rispettivamente i due modelli. Una differenza tra il modello cinetico Patlak e quello non lineare consiste nell’utilizzo dei dati dinamici. Il modello Patlak richiede che l’equilibrio sia raggiunto e quindi calcola il tasso di afflusso dalla pendenza lineare stabilita. Il modello cinetico Patlak produce velocità di afflusso K_{i_Patlak,} utilizzando un tempo di 24 minuti per l’equilibrato del pool di plasma, C_p, alla piscina non associata, C_u.  Il tempo di 24 minuti può cambiare a seconda del tempo trovato per tutti i siti secondari per raggiungere con il pool di plasma nel campione. Il modello non lineare più rigoroso dal punto di vista computazionale utilizza l’intero dato temporale per adattarsi a una curva.

L’obiettivo di questo manoscritto metodologico è quello di delineare tecniche dettagliate per l’esecuzione dinamica [¹⁸F]-NaF-PET-MRI.  L’articolazione sfaccettata lombare è un sito comune di malattia degenerativa dell’artrite e una causa comune per il mal di schiena assiale⁸.  Studi recenti suggeriscono che [¹⁸F]-NaF-PET-MRI può servire come biomarcatore utile della malattia facetogenica dolorosa⁹.  Le articolazioni della sfaccettatura lombare umana di un singolo paziente con mal di schiena facetogenico saranno quindi analizzate come un ROI prototipo per l’analisi dinamica [¹⁸F]-NaF-PET-MRI.

Protocol

Questo studio di fattibilità prospettico ha reclutato pazienti dopo aver ottenuto l’approvazione IRB dello studio umano e aver rispettato le normative HIPAA. 1. Fantasma Riempire un fantasma cilindrico cavo con un inserto con cilindri cavi con una gamma di diametri (5 – 38 mm) con 185 MBq di [18F]-NaF. Generare una mappa di attenuazione dell’elemento fantasma utilizzando CT o un modello generato in precedenza per questo fantasma. Posizionare il fantasm…

Representative Results

18 mi lato I valori di assorbimento di NaF-PET sono misurati nelle articolazioni bilaterali di sfaccettatura ai livelli vertebrali da L1-L2 a L5-S1 per un totale di 10 ROI in un singolo paziente rappresentativo con mal di schiena assiale. Rappresentante [18F]-NaF-PET, grasso T2 assiale soppresso e immagini MR assiali T1 post-contrasto soppresse tramite il livello dei giunti di sfaccettatura L3-L4 sono mostrate nella Figura 2.  Il Ki_Patlak, SUVmedia</su…

Discussion

In questo manoscritto metodologico, abbiamo fornito informazioni sulla potenziale utilità della dinamica [¹⁸F]-NaF-PET-MRI per la valutazione di una vasta gamma di patologie ossee e abbiamo delineato le tecniche per l’immagine dinamica^[18F]-NaF-PET-MRI l’acquisizione e l’analisi utilizzando le articolazioni sfaccettate lombare umane come regioni prototipiche di interesse. La doppia modalità PET-MRI consente l’acquisizione di dati PET dinamici in un periodo di tempo simile a quello richiesto solo p…

Materials

Gadolinium Contrast agent (Gadovist)	Bayer	na	1.0mmol/ml solution for IV injection.
[18F]-NaF Radiotracer	na	na	2.96 MBq/kg
GE Signa PET-MRI Scanner	General Electric	na	3.0Tesla 60cm Bore PET-MRI scanner
PMOD Kinetic Modeling Software	PMOD Technologies, LLC	na	Version 3.8