Análise de 18FDG PET-CT Imaging como uma ferramenta para estudar infecção por Mycobacterium tuberculosis e tratamento em primatas não-humanos
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para descrever a análise de imagem de 18F-FDG PET-CT em primatas não-humanos que foram infectados com M. tuberculosis para estudar o processo da doença, tratamento medicamentoso e reativação da doença.
Abstract
Mycobacterium tuberculosis continua a ser o número um agente infeccioso no mundo hoje. Com o surgimento de cepas resistentes aos antibióticos, novos métodos clinicamente relevantes são necessários que avaliam o processo da doença e tela para tratamentos potenciais de antibiótico e vacina. A tomografia por emissão de pósitrons/Computed Tomography (PET/CT) foi estabelecida como uma valiosa ferramenta para o estudo de uma série de doenças como câncer, doença de Alzheimer e inflamação/infecção. Descritas aqui são um número de estratégias que têm sido empregadas para avaliar imagens de PET/CT em macacos cynomolgus intrabronchially infectados com baixas doses de M. tuberculosis. Através da avaliação do tamanho da lesão no CT e absorção de 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) em lesões e nódulos linfáticos nas imagens de PET, estes métodos descritos mostram que as imagens de PET/CT podem prever desenvolvimento futuro de ativo contra doença latente e o propensão para a reativação do estado latente da infecção. Além disso, ao analisar o nível global de inflamação pulmonar, esses métodos determinam eficácia antibiótica medicamentos contra M. tuberculosis no modelo animal mais clinicamente relevante existente. Esses métodos de análise de imagem são algumas das ferramentas mais poderosas do arsenal contra esta doença, que não só eles podem avaliar uma série de características de infecção e tratamento medicamentoso, mas eles também são traduzíveis diretamente para um ambiente clínico para uso em humanos estudos.
Introduction
Mycobacterium tuberculosis tem atormentado os humanos por milênios e provoca mortalidade mais do que qualquer outro agente infeccioso único no mundo de hoje. Em 2015, foram relatados 10,5 milhões de novos casos de tuberculose (TB) globalmente1 com a maioria dos casos provenientes da Índia, Indonésia, China, Nigéria, Paquistão e África do Sul. Estimativas coloca o número de mortes global de TB em 1,4 milhões de pessoas durante o mesmo período de tempo. Esse valor é quase 25% menor que a taxa de morte há mais de 100 anos. Embora sensível TB drogas é tratável, o regime é moroso que requer múltiplos medicamentos e conformidade é uma preocupação. O surgimento de multi, cepas resistentes (MDR) contabilizados ~ 580.000 dos novos casos de TB em 2015. A taxa de sucesso do tratamento de pacientes com cepas MDR de M. tuberculosis é apenas estimada em cerca de 50%. Ainda mais alarmante é o surgimento de extensivamente resistente (XDR) cepas de M. tuberculosis, que são resistentes a quase todas as drogas disponíveis. Assim, novas técnicas são necessárias dentro do campo de pesquisa de TB que melhoram a capacidade de diagnosticar a TB, aumentar a compreensão imunológica do processo de doença e permitir a seleção de novos tratamentos e estratégias de prevenção, incluindo o antibiótico regimes e estudos de eficácia da vacina.
M. tuberculosis é um bacilo ácido-álcool resistentes aeróbio que fisicamente se caracteriza por sua parede de pilha exterior muito complexa e cinética de crescimento lento. A infecção geralmente ocorre através da inalação de bactérias individuais contidos em aerossol gotículas que são expelidas de um indivíduo infectado, sintomático, enquanto tosse, espirro ou cantar. Dos indivíduos expostos que desenvolvem a infecção, apenas 5-10% das pessoas desenvolvem TB clínico ativo. Os restantes 90% têm um espectro variando de infecções assintomáticas que varia de infecção subclínica a nenhuma doença, que é classificada clinicamente como latente TB infecção (ILTB)2,3. Da população que tenha esta infecção assintomática, aproximadamente 10% desenvolverão ativo TB por reativação da infecção contida em sua vida. O risco de reativação dramaticamente aumenta se uma pessoa com infecção assintomática contratos HIV ou são submetidas a tratamento com uma droga imunossupressora, tais como inibidores TNF a4,5,6. Doença de TB ativa apresenta-se também como um espectro, com a maioria das pessoas com tuberculose pulmonar, que afeta os pulmões e linfonodos torácicos. No entanto, o M. tuberculosis pode infectar qualquer órgão, para que a infecção também pode apresentar em sites extrapulmonar de envolvimento.
A marca patológica da infecção por M. tuberculosis é uma estrutura esférica organizada das células do hospedeiro, chamado o granuloma. Macrófagos, células T e células B são os principais componentes da granuloma, com um número variável de neutrófilos7. O centro da granuloma é muitas vezes necrótico. Assim, granulomas funcionam como um microambiente imune para matar ou contêm bacilos, impedindo a propagação para outras partes do pulmão. No entanto, M. tuberculosis pode subverter matar o granuloma e mantidas dentro destas estruturas por décadas. Monitoramento consistente e regular para o desenvolvimento da doença de TB ativa após nova infecção ou reativação da ILTB é impraticável, cientificamente desafiador e demorado. Técnicas que estudar estes processos longitudinalmente, em humanos e modelos animais parecidos com os humanos, são extremamente úteis para a comunidade científica em promover a compreensão das complexidades muitos do M. tuberculosis infecção e doença.
PET/CT é uma técnica de imagem extremamente útil que tem sido empregada para estudar uma vasta gama de Estados de doença em seres humanos e modelos animais8. Animal de estimação é uma técnica funcional que usa compostos radioativos emissores de pósitrons como repórter. Esses radioisótopos são normalmente acrescidos de um composto metabólico, como a glicose, ou a um grupo alvo que é projetado para ligar a um receptor de interesse. Uma vez que a radiação emitida a partir de isótopos de PET é poderosa o suficiente para penetrar o tecido, concentrações muito baixas podem ser usadas que permite estudo abaixo dos níveis de saturação em compostos do receptor-alvo e em concentrações baixas o suficiente para ter nenhum impacto sobre o metabolismo processos quando usando agentes como 2-deoxy – 2-(18F) Fluoro-D-glicose (FDG). CT é uma técnica de imagem tridimensional, raio-x que usa diferentes níveis de atenuação de raios-x para identificar as características físicas dos órgãos dentro do corpo9. Quando emparelhado com PET, CT é usado como um mapa para determinar os locais específicos e estruturas que mostram a absorção de um radiotracer PET. PET/CT é uma poderosa ferramenta para a imagem latente na vivo de seres humanos e modelos animais infectados com M. tuberculosis infecção que levou a muitos insights importantes sobre patogênese, resposta ao tratamento medicamentoso, o espectro da doença, etc6 ,10,11,12. Este trabalho descreve métodos analíticos específicos do PET/CT para estudar TB em modelos de primatas não humanos no sentido longitudinal, utilizando parâmetros como tamanho de granuloma, captação FDG em lesões individuais, toda avidez FDG pulmonar e do nó de linfa e detecção de extrapulmonar doença6,10,11,12.
Este manuscrito descreve metodologias de análise em primatas não-humanos (NHPs), especificamente macacos cynomolgus, que são usados para avaliar longitudinalmente a progressão da doença e o tratamento medicamentoso após infecção com M. tuberculosis de imagem . NHPs são um modelo animal valioso porque quando inoculado com uma dose baixa de M. tuberculosis Erdman estirpe, animais mostram uma variedade de resultados de doença com ~ 50% desenvolvimento de TB ativa e os restantes animais tendo infecção assintomática (ou seja, controlar a infecção, ILTB), fornecendo o modelo mais próximo para o espectro clínico da doença visto nos seres humanos3,13,14,15,16. Reativação da ILTB em macacos é desencadeada pelos mesmos agentes que causam a reativação nos seres humanos, que são exemplos de vírus de imunodeficiência humana (HIV, usando o vírus da imunodeficiência símia (SIV) como a versão de macaca do HIV), depleção de CD4 ou tumor fator de necrose de13,de neutralização (TNF)16. Além disso, os macacos os apresentam com patologia que é extremamente semelhante ao observado em seres humanos, incluindo os granulomas organizados que se formam nos pulmões ou outros órgãos17. Assim, este modelo forneceu insights importantes sobre as interações patógeno-hospedeiro básica em infecção de M. tuberculosis , bem como conhecimentos valiosos sobre regimes de drogas e vacinas para a tuberculose14,18 , 19 , 20 , 21.
Imagens de PET/CT fornece a habilidade de seguir a aparência, distribuição e progressão de granulomas individuais. Este trabalho utilizou principalmente FDG como uma sonda, que, como um análogo da glicose, incorpora em células hospedeiras metabolicamente ativas, como macrófagos, neutrófilos e linfócitos8, todos os quais estão em granulomas. Assim, o FDG é um proxy para a inflamação do anfitrião. Os procedimentos de análise detalhados neste documento usa OsiriX, um visualizador DICOM amplamente usado disponível para compra e uso. Os métodos de análise de imagem descritos rastrear a forma, tamanho e atividade metabólica (através de captação FDG) de granulomas individuais ao longo do tempo e usa a imagem como um mapa para identificar lesões específicas sobre necropsia animal. Além disso, um método separado foi desenvolvido que quantifica o somatório de captação FDG no pulmão acima de um limite específico (SUV ≥ 2.3) e usa esse valor para avaliar as diferenças entre controle e grupos experimentais em estudos variando de vacina ensaios de modelos de co-infecção. Estes dados suportam que esta medida global de captação FDG em pulmões está correlacionada com a carga bacteriana, proporcionando informações sobre o status de doença. Análises semelhantes podem ser executadas na captação FDG dos linfonodos torácicos para estudar a progressão da doença também. O protocolo seguinte descreve o processo experimental de infecção animal através da análise de imagem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dados adquiridos de PET/CT podem ser usados como medições de substituto para muitos aspectos da infecção por M. tuberculosis que seria não-observável sem tal tecnologia. PET/CT é muito mais sensível do que a tecnologia de raio x, que é frequentemente utilizada em estudos de macacos. PET/CT fornece informações estruturais, espaciais e funcionais. As análises descritas acima têm muitas aplicações práticas, tais como monitoramento de progressão da doença, avaliando a eficácia do tratamento da tox…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores desejam reconhecer Mark Rodgers para delinear os procedimentos de infecção e L. Eoin Carney e Brian Lopresti para orientação no estabelecimento desses procedimentos de imagem. Financiamento para este trabalho foi fornecido pela Fundação Bill e Melinda Gates (J.L.F., P.L.L.), National Institutes of Health, institutos nacional de alergia e AI111871 de R01 de doenças infecciosas (P.L.L.), nacional coração, pulmão e sangue Instituto 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 |
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