Analyse af 18FDG PET/CT billeddannelse som et redskab til at studere Mycobacterium tuberculosis infektion og behandling i ikke-menneskelige primater
Summary
Vi præsenterer her, en protokol for at beskrive analysen af 18F-FDG PET/CT billeddannelse i ikke-menneskelige primater, der er blevet smittet med M. tuberkulose at studere sygdomsprocessen, medicinsk behandling og sygdom genaktivering.
Abstract
Mycobacterium tuberkulose er stadig nummer et smitstoffet i verden i dag. Med fremkomsten af antibiotika-resistente stammer, nye klinisk relevante metoder er nødvendige for at evaluerer sygdomsprocessen og skærmen for potentielle antibiotika og vaccine behandlinger. Positronemissionstomografi/Computed Tomography (PET/CT) har været etableret som et værdifuldt redskab til at studere en række lidelser som kræft, Alzheimers sygdom og betændelse/infektion. Skitseret her er en række strategier, der har været ansat til at evaluere PET/CT billeder i cynomolgus makakaber, der er inficeret intrabronchially med lave doser af M. tuberkulose. Gennem evaluering af læsion størrelse på CT og optagelse af 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) i læsioner og lymfeknuder i PET billeder, disse beskrevet metoder viser at PET/CT billeddannelse kan forudsige fremtidige udvikling af aktive versus latent sygdom og den tilbøjelighed til reaktivering fra en latent tilstand af infektion. Derudover ved at analysere det samlede niveau af lungebetændelse, bestemme disse metoder antibiotika effekten af lægemidler mod M. tuberkulose i de mest klinisk relevante eksisterende dyremodel. Disse billede analysemetoder, der er nogle af de mest kraftfulde værktøjer i arsenalet mod denne sygdom som ikke alene kan de vurdere en række karakteristika af infektion og narkotikabehandling, men de er også direkte kan oversættes til en klinisk indstilling til brug i human undersøgelser.
Introduction
Mycobacterium tuberkulose har hærget mennesker i årtusinder og forårsager mere dødelighed end nogen anden enkelt smitstof i verden i dag. I 2015, der blev 10,5 millioner rapporteret nye tilfælde af tuberkulose (TB) globalt1 med fleste tilfælde stammer fra Indien, Indonesien, Kina, Nigeria, Pakistan, og Sydafrika. Skøn sted de globale dødstal fra TB på 1,4 millioner mennesker i den samme periode. Denne værdi er næsten 25% lavere end dødeligheden 100 år siden. Selv om narkotika følsomme TB er behandlelige, regime er langvarig, som kræver flere medicin og compliance er en bekymring. Fremkomsten af multi-resistente (MDR) stammer udgjorde ~ 580.000 af de nye TB-tilfælde i 2015. Succesfuld behandling satsen for patienter med MDR stammer af M. tuberkulose er kun skønnes for at være omkring 50%. Endnu mere alarmerende er fremkomsten af udstrakt grad resistente (XDR) stammer af M. tuberkulose, som er resistente over for næsten alle tilgængelige stof. Således er nye teknikker nødvendige inden for forskningsområdet TB, der forbedrer evnen til at diagnosticere TB, øge den immunologiske forståelse for sygdomsprocessen, og giver mulighed for screening af nye behandlinger og forebyggende strategier herunder antibiotika regimer og vaccine virkning undersøgelser.
M. tuberkulose er en aerob syrefaste bacillus, der fysisk er kendetegnet ved sin meget komplekse ydre cellevæg og langsom vækst kinetik. Infektion opstår generelt ved indånding af enkelte bakterier indeholdt i aerosolmaterialer dråber, der er udvist fra en symptomatisk, inficeret person, mens hoste, nysen, eller synger. Af de eksponerede personer, der udvikler infektion, udvikle kun 5-10% af befolkningen aktive kliniske TB. De resterende 90% har et varierende spektrum af asymptomatiske infektioner, der spænder fra subklinisk infektion til ingen sygdom overhovedet, som alle er klassificeret klinisk som latent TB infektion (LTBI)2,3. Af befolkningen, der har denne asymptomatisk infektion, vil ca 10% udvikle aktiv TB ved reaktivering af den indesluttede infektion i deres levetid. Risikoen for reaktivering dramatisk øger hvis en person med asymptomatisk infektion kontrakter HIV eller underkastes behandling med en immunosuppressive lægemidler, såsom TNF-hæmmere4,5,6. Aktiv TB sygdom præsenterer også som et spektrum, med de fleste mennesker at have pulmonal TB, som påvirker lungerne og thorax lymfeknuder. Dog kan M. tuberkulose inficere ethvert organ, således at infektionen kan også præsentere i extrapulmonary steder af engagement.
Patologisk er kendetegn M. tuberkulose -infektion en organiseret kugleformet struktur i værtsceller, kaldet granuloma. Makrofager, T-celler og B-celler er de vigtigste bestanddele af granuloma, med et variabelt antal neutrofile7. Granuloma ligger ofte nekrotiske. Således fungere granulomer som en immun mikromiljø at dræbe eller indeholde baciller, forhindre spredning til andre dele af lungerne. Men M. tuberkulose kan undergrave drab af granuloma, og persistere i disse strukturer i årtier. Konsekvent og regelmæssig overvågning af udviklingen af aktiv TB sygdom efter ny infektion eller reaktivering af LTBI er upraktisk, videnskabeligt udfordrende og tidskrævende. Teknikker, som studerer disse processer på langs, i mennesker og human-lignende dyremodeller, er meget nyttige for det videnskabelige samfund i fremme forståelsen af mange kompleksiteten af M. tuberkulose infektion og sygdom.
PET/CT er en yderst nyttig billedbehandling teknik, der har været ansat til at studere en bred vifte af sygdomstilstande i mennesker og dyremodeller8. PET er en funktionel teknik, der bruger positron-emitting radioaktive stoffer som reporter. Disse radioisotoper er typisk functionalized til en metabolisk sammensatte, såsom glukose, eller en målretning gruppe, der er designet til at binde sig til en receptor af interesse. Da stråling fra PET isotoper er kraftig nok til at trænge tissue, kan meget lave koncentrationer bruges som tillader undersøgelse under kapacitetsproblemer i receptor-targeting forbindelser og på en lav nok koncentration har ingen indvirkning på metaboliske behandler når du bruger agenter såsom 2-deoxy – 2-(18F) Fluoro-D-glucose (FDG). CT er en tre-dimensionelle x-ray imaging teknik, der bruger forskellige niveauer af x-ray dæmpning for at identificere fysiske karakteristika af organer i kroppen9. Når parret med bruges PET, CT som en kort til at bestemme bestemte steder og strukturer, der viser udbredelsen af en PET radiotracer. PET/CT er et kraftfuldt værktøj til i vivo billeddannelse af både mennesker og dyr modeller inficeret med M. tuberkulose -infektion, der har ført til mange vigtige indsigter i patogenesen, svar til narkotikabehandling, sygdom spektrum, osv6 ,10,11,12. Dette arbejde beskriver specifikke PET/CT analytiske metoder til at studere TB i primat modeller på langs ved parametre som granuloma størrelse FDG optagelse i individuelle læsioner, hele lungen og lymfeknude FDG aviditet og påvisning af extrapulmonary sygdom6,10,11,12.
Dette manuskript beskriver metoder til billeddannelse analyse i ikke-menneskelige primater (primaterne), specifikt cynomolgus makakaber, som bruges til at evaluere på langs sygdomsprogression og narkotikabehandling efter infektion med M. tuberkulose . Primaterne er en værdifuld dyremodel fordi når podet med en lav dosis af M. tuberkulose Erdman stamme, dyr viser en bred vifte af sygdom resultater med ~ 50% udvikle aktiv TB og de resterende dyr have asymptomatisk infektion (dvs. kontrollere infektion, LTBI), give den nærmeste model til den kliniske sygdom spektrum set i mennesker3,13,14,15,16. Reaktivering af LTBI i makakaber er udløst af de samme agenser, der forårsager reaktivering hos mennesker, som eksempler på human immundefekt virus (HIV, ved hjælp af simian immundefektvirus (SIV) som makak version af HIV), CD4 udtynding eller tumor nekrose faktor (TNF) neutralisering13,16. Derudover præsentere makakaber med patologi, der er meget lig den, ses hos mennesker, herunder de organiserede granulomer, der danner i lungerne eller andre organer17. Således, denne model har givet vigtige indsigt i grundlæggende vært-patogen interaktioner i M. tuberkulose infektion, samt værdifuld viden om drug regimer og vacciner mod tuberkulose14,18 , 19 , 20 , 21.
PET/CT billeddannelse giver mulighed for at følge udseende, distribution og progression af individuelle granulomer. Dette arbejde har primært brugt FDG som en sonde, der som en glucose analog, indarbejder i metabolisk aktive værtsceller, såsom makrofager, neutrofiler og lymfocytter8, som alle er i granulomer. FDG er således en proxy for værten betændelse. Analyse procedurer detaljeret heri bruger OsiriX, en udbredte DICOM viewer tilgængelig for køb og brug. Billede analysemetoder beskrevet spore form, størrelse og metaboliske aktivitet (via FDG optagelse) af individuelle granulomer over tid og bruger billeddannelse som et kort til at identificere specifikke læsioner på animalsk obduktion. Derudover er et separat metode blevet udviklet som kvantificerer summation af FDG optagelse i lungerne over en bestemt tærskel (SUV ≥ 2.3) og denne værdi bruges til at vurdere forskelle mellem kontrol og eksperimentelle grupper på tværs af undersøgelser spænder fra vaccine forsøg at co infektion modeller. Disse data støtter denne samlede foranstaltning af FDG optagelse i lungerne er korreleret med bakteriel byrde, hvilket giver oplysninger om statussen sygdom. Lignende analyser kan udføres i FDG optrækket af thorax lymfeknuder at studere progression af sygdommen samt. Følgende protokol beskriver den eksperimenterende proces fra dyreinfektioner gennem billedanalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Data erhvervet fra PET/CT kan bruges som surrogat målinger for mange aspekter af M. tuberkulose -infektion, der ville være verificeringsprocedurer uden sådan teknologi. PET/CT er meget mere følsom end X-ray teknologi, som ofte bruges i makakaber undersøgelser. PET/CT giver oplysninger om strukturelle, fysisk og funktionel. De ovenfor beskrevne analyser har mange praktiske applikationer såsom overvågning sygdomsprogression, vurdere effektiviteten af behandling og leverer risikofaktorer for reaktivering<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende Mark Rodgers for skitserer infektion procedurer og L. Eoin Carney og Brian Lopresti for vejledning i oprettelse af disse billeddiagnostiske procedurer. Finansiering af dette arbejde er blevet leveret af The Bill og Melinda Gates Foundation (J.L.F., P.L.L.), National Institutes of Health, nationale institutter for allergi og smitsomme sygdomme R01 AI111871 (P.L.L.), nationale hjerte lunge og Blood Institute R01 HL106804 (J . L.F.), R01 HL110811.
Materials
| Ketamine | Henry Schein | 23061 | Henry Schein |
| Telazol | Zoetis | 4866 | Henry Schein |
| Cetacaine | Patterson Vet Generics | 07-892-6862 | Patterson |
| Sterile saline | Hospira | 07-800-9721 | Patterson |
| 7H11 agar | BD | 283810 | BD Biosciences |
| IV catheter | Surflash | 07-806-7659 | Patterson |
| 18F-FDG | Zevacor | N/A | |
| Endotracheal tube | Jorgensen Labs Inc | 07-887-0284 | Patterson |
| Artificial tears | Patterson Vet Generics | 07-888-1663 | Patterson |
| Isoflurane | Zoetis | 07-806-3204 | Patterson |
| Neurologica Ceretom CT | Samsung Neurologica | N/A | |
| Siemens Focus 220 microPET | Siemens Molecular Imaging Systems | N/A | |
| Inveon Research Software | Siemens Molecular Imaging Systems | N/A | |
| OsiriX | Pixmeo | N/A |
References
- Barry, C. E., et al. The spectrum of latent tuberculosis: rethinking the biology and intervention strategies. Nat Rev Microbiol. 7 (12), 845-855 (2009).
- Lin, P. L., Flynn, J. L. Understanding latent tuberculosis: a moving target. J Immunol. 185 (1), 15-22 (2010).
- Pawlowski, A., Jansson, M., Skold, M., Rottenberg, M. E., Kallenius, G. Tuberculosis and HIV co-infection. PLoS Pathog. 8 (2), e1002464 (2012).
- Keane, J. TNF-blocking agents and tuberculosis: new drugs illuminate an old topic. Rheumatology (Oxford). 44 (6), 714-720 (2005).
- Lin, P. L., et al. PET CT Identifies Reactivation Risk in Cynomolgus Macaques with Latent M. tuberculosis. PLoS Pathog. 12 (7), e1005739 (2016).
- Flynn, J. L., Klein, E., Dick, T., Leong, V. D. J. . A color atlas of comparative pulmonary tuberculosis histopathology. , 83-106 (2011).
- Signore, A., Mather, S. J., Piaggio, G., Malviya, G., Dierckx, R. A. Molecular imaging of inflammation/infection: nuclear medicine and optical imaging agents and methods. Chem Rev. 110 (5), 3112-3145 (2010).
- James, M. L., Gambhir, S. S. A molecular imaging primer: modalities, imaging agents, and applications. Physiol Rev. 92 (2), 897-965 (2012).
- Coleman, M. T., et al. PET/CT imaging reveals a therapeutic response to oxazolidinones in macaques and humans with tuberculosis. Sci Transl Med. 6 (265), (2014).
- Coleman, M. T., et al. Early Changes by (18)Fluorodeoxyglucose positron emission tomography coregistered with computed tomography predict outcome after Mycobacterium tuberculosis infection in cynomolgus macaques. Infect Immun. 82 (6), 2400-2404 (2014).
- Lin, P. L., et al. Radiologic Responses in Cynomolgus Macaques for Assessing Tuberculosis Chemotherapy Regimens. Antimicrob Agents Chemother. 57 (9), 4237-4244 (2013).
- Diedrich, C. R., et al. Reactivation of latent tuberculosis in cynomolgus macaques infected with SIV is associated with early peripheral T cell depletion and not virus load. PLoS One. 5 (3), e9611 (2010).
- Lin, P. L., et al. The multistage vaccine H56 boosts the effects of BCG to protect cynomolgus macaques against active tuberculosis and reactivation of latent Mycobacterium tuberculosis infection. J Clin Invest. 122 (1), 303-314 (2012).
- Lin, P. L., et al. CD4 T cell depletion exacerbates acute Mycobacterium tuberculosis while reactivation of latent infection is dependent on severity of tissue depletion in cynomolgus macaques. AIDS Res Hum Retroviruses. 28 (12), 1693-1702 (2012).
- Mattila, J. T., Diedrich, C. R., Lin, P. L., Phuah, J., Flynn, J. L. Simian immunodeficiency virus-induced changes in T cell cytokine responses in cynomolgus macaques with latent Mycobacterium tuberculosis infection are associated with timing of reactivation. J Immunol. 186 (6), 3527-3537 (2011).
- Scanga, C. A., Flynn, J. A., Kaufmann, S. H. E., Rubin, E. J., Zumla, A. . Tuberculosis. , 243-258 (2015).
- Kita, Y., et al. Development of therapeutic and prophylactic vaccine against Tuberculosis using monkey and transgenic mice models. Hum Vaccin. 7, 108-114 (2011).
- Langermans, J. A., et al. Divergent effect of bacillus Calmette-Guerin (BCG) vaccination on Mycobacterium tuberculosis infection in highly related macaque species: implications for primate models in tuberculosis vaccine research. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (20), 11497-11502 (2001).
- Okada, M., et al. Novel prophylactic and therapeutic vaccine against tuberculosis. Vaccine. 27 (25-26), 3267-3270 (2009).
- Reed, S. G., et al. Defined tuberculosis vaccine, Mtb72F/AS02A, evidence of protection in cynomolgus monkeys. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (7), 2301-2306 (2009).
- Capuano, S. V., et al. Experimental Mycobacterium tuberculosis infection of cynomolgus macaques closely resembles the various manifestations of human M. tuberculosis infection. Infect Immun. 71 (10), 5831-5844 (2003).
- Srinivas, S. M., et al. A recovery coefficient method for partial volume correction of PET images. Ann Nucl Med. 23 (4), 341-348 (2009).
- Kumar, R., et al. Role of modern imaging techniques for diagnosis of infection in the era of 18F-fluorodeoxyglucose positron emission tomography. Clin Microbiol Rev. 21 (1), 209-224 (2008).
- Martin, C. J., et al. Digitally Barcoding Mycobacterium tuberculosis Reveals In Vivo Infection Dynamics in the Macaque Model of Tuberculosis. MBio. 8 (3), (2017).
- Lin, P. L., et al. Metronidazole prevents reactivation of latent Mycobacterium tuberculosis infection in macaques. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (35), 14188-14193 (2012).
- Lin, P. L., et al. Tumor necrosis factor neutralization results in disseminated disease in acute and latent Mycobacterium tuberculosis infection with normal granuloma structure in a cynomolgus macaque model. Arthritis Rheum. 62 (2), 340-350 (2010).
- Phuah, J., et al. Effects of B Cell Depletion on Early Mycobacterium tuberculosis Infection in Cynomolgus Macaques. Infect Immun. 84 (5), 1301-1311 (2016).
- Martinez, V., Castilla-Lievre, M. A., Guillet-Caruba, C., Grenier, G., Fior, R., Desarnaud, S., Doucet-Populaire, F., Boue, F. (18)F-FDG PET/CT in tuberculosis: an early non-invasive marker of therapeutic response. Int J Tuberc Lung Dis. 16 (9), 1180-1185 (2012).
- Malherbe, S. T., et al. Persisting positron emission tomography lesion activity and Mycobacterium tuberculosis mRNA after tuberculosis cure. Nat Med. 22 (10), 1094-1100 (2016).
- Chen, R. Y., et al. PET/CT imaging correlates with treatment outcome in patients with multidrug-resistant tuberculosis. Sci Transl Med. 6 (265), (2014).
