Радиотрейск Администрации для высокого временного разрешения позитронно-эмиссионной томографии человеческого мозга: Применение FDG-fPET

Summary

Данная рукопись описывает два протокола управления радиотрапом для FDG-PET (постоянный вливание и болюс плюс инфузия) и сравнивает их с болюс-администрацией. Временные резолюции 16 s достижимы с помощью этих протоколов.

Abstract

Функциональная позитронно-эмиссионная томография (fPET) обеспечивает метод отслеживания молекулярных целей в человеческом мозге. С радиоактивно обозначенным аналогом глюкозы, ¹⁸F-фтордеоксиглюкозой (FDG-fPET), теперь можно измерить динамику метаболизма глюкозы с временными разрешениями, приближающимися к функциональным магнитно-резонансным томографиям (МРТ). Эта прямая мера поглощения глюкозы имеет огромный потенциал для понимания нормальной и ненормальной функции мозга и зондирования последствий метаболических и нейродегенеративных заболеваний. Кроме того, новые достижения в гибридном оборудовании MR-PET позволяют фиксировать колебания глюкозы и оксигенации крови одновременно с помощью МРТ и FDG-fPET.

Временное разрешение и сигнал к шуму изображений FDG-fPET критически зависят от администрации радиотрактора. Эта работа представляет два альтернативных протоколов непрерывного вливания и сравнивает их с традиционным подходом bolus. Он представляет собой метод для приобретения образцов крови, блокировки времени ПЭТ, МРТ, экспериментальный стимул, и администрирование нетрадиционных трассировщик доставки. Используя визуальный стимул, результаты протокола показывают корковые карты глюкозы-реакции на внешние раздражители на индивидуальном уровне с временным разрешением 16 с.

Introduction

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) является мощным методом молекулярной визуализации, который широко используется как в клинических, так и в исследовательских условиях (см. Heurling et al.¹ для недавнего всеобъемлющего обзора). Молекулярные цели, которые могут быть изображены с помощью ПЭТ только ограничены наличием радиотрассеров, и многочисленные трассирующие были разработаны для изображения нервных рецепторов метаболизма, белков и ферментов^2,3. В неврологии, один из наиболее часто используемых радиочастот ¹⁸F-фтородеоксиглюкоза (FDG-PET), который измеряет поглощение глюкозы, как правило, интерпретируется как индекс метаболизма глюкозы в мозге. Мозг человека требует постоянного и надежного питания глюкозы для удовлетворения своих энергетических потребностей^4,5,и 70-80% метаболизма глюкозы в головном мозге используется нейронами во время синаптической передачи⁶. Изменения метаболизма глюкозы в мозге, как полагают, инициировать и способствовать многочисленным условиям, в том числе психиатрические, нейродегенеративные, и ишемические условия^7,8,9. Кроме того, поскольку поглощение FDG пропорционально синаптической активности^10,11,12, считается более прямым и менее запутанным индексом нейронной активности по сравнению с более широко используемой кровью кислородно-зависимая от уровня функциональная магнитно-резонансная томография (BOLD-fMRI) ответ. BOLD-fMRI является косвенным индексом нейронной активности и измеряет изменения в дезоксигенированном гемоглобине, которые происходят после каскада нервно-сосудистых изменений после нейронной активности.

Большинство Исследований FDG-PET человеческого мозга приобретают статические изображения поглощения глюкозы в мозге. Участник спокойно отдыхает в течение 10 минут с открытыми глазами в затемненной комнате. Полная доза радиотраиста вводится в виде болюса в течение нескольких секунд, и участник затем отдыхает еще 30 минут. После периода поглощения участники помещаются в центр ПЭТ-сканера, и приобретается ПЭТ-изображение, отражающее совокупное распределение FDG в течение периода поглощения и сканирования. Таким образом, нейронная активность, индексируемая изображением ПЭТ, представляет собой совокупное среднее значение всех когнитивных действий по периодам поглощения и сканирования и не характерно для когнитивной активности во время сканирования. Этот метод дал большое представление о мозговом метаболизме мозга и нейронной функции. Тем не менее, временное разрешение равно продолжительности сканирования (часто 45 мин, эффективно уступая статические измерения поглощения глюкозы; это неблагоприятно сравнивает с нейрональной реакции во время когнитивных процессов и общих экспериментов в нейровизуализации. Из-за ограниченного временного разрешения, метод обеспечивает неспецифический индекс поглощения глюкозы (т.е. не привязан к задаче или когнитивному процессу) и не может обеспечить меры врамках изменчивости, что может привести к ошибочным научным выводам из-за к парадоксу Симпсона¹³. Парадокс Симпсона — это сценарий, при котором отношения между мозгами и поведением, рассчитанные по всем субъектам, не обязательно свидетельствуют о тех же отношениях, проверенных внутри субъектов. Кроме того, недавние попытки применить функциональные меры подключения к FDG-PET могут измерять только связь между субъектами. Таким образом, различия в подключении можно сравнить только между группами и не могут быть рассчитаны для отдельных субъектов. Хотя это спорно, что именно по субъекту подключения меры¹⁴, ясно, что меры, рассчитанные по всей субъектов не могут быть использованы в качестве биомаркера для состояния болезни или используется для изучения источника отдельных вариаций.

За последние пять лет разработка и более широкая доступность одновременных сканеров МРТ-ПЭТ клинического класса вызвали новый интерес к исследованиям в области визуализации FDG-PET² в когнитивной нейробиологии. С помощью этих событий исследователи сосредоточили свое внимание на улучшении временного разрешения FDG-PET, чтобы приблизиться к стандартам BOLD-fMRI (0,5–2,5 с). Обратите внимание, что пространственное разрешение BOLD-FMRI может приблизиться к субмиллиметровым разрешениям, но пространственное разрешение FDG-PET принципиально ограничено около 0,54 мм полной шириной при половине максимум (FWHM) из-за позитронного диапазона¹⁵. Динамические приобретения FDG-PET, которые часто используются клинически, используют метод администрирования болуса и реконструируют данные по режиму списка в ячейки. Болус динамический метод FDG-PET предлагает временное разрешение около 100 с (например, Tomasi et al.¹⁶). Это явно гораздо лучше по сравнению со статичной fDG-PET изображения, но не сопоставимы с BOLD-FMRI. Кроме того, окно, в котором функция мозга может быть исследована ограничено, потому что концентрация плазмы крови FDG уменьшается вскоре после того, как болиус вводится.

Чтобы расширить это экспериментальное окно, несколько исследований^{17,18,19,20,21} адаптировали метод вливания радиотраповского ранее предложенный Карсон^{22, 23}. В этом методе, иногда описываемом как «функциональный FDG-PET» (FDG-fPET, по аналогии с BOLD-fMRI), радиотрактор вводится как постоянный вливание в течение всего ПЭТ-сканирования (90 мин). Целью протокола инфузии является поддержание постоянного питания FDG для отслеживания динамических изменений в поглощении глюкозы во времени. В исследовании, проверенном концепцией, Villien et al.²¹ использовали постоянный протокол инфузии и одновременные МРТ/FDG-fPET, чтобы показать динамические изменения в поглощении глюкозы в ответ на стимуляцию шашечной доски с временным разрешением 60 с. Последующие исследования использовали этот метод, чтобы показать задачи заблокированы FDG-FPET (т.е., time-locked к внешнему стимулу¹⁹⁾и задачи, связанные FDG-FPET (т.е., не запертый во времени для внешнего стимула^{17, 18}) поглощение глюкозы. Используя эти методы, FDG-fPET временные разрешения 60 s были получены, который существенно улучшение над методами bolus. Предварительные данные показывают, что метод инфузии может обеспечить временное разрешение 20-60 с¹⁹.

Несмотря на многообещающие результаты от постоянного метода инфузии, кривые радиоактивности плазмы этих исследований показывают, что метод инфузии не является достаточным для достижения устойчивого состояния в течение срока 90 мин сканирования^19,21. В дополнение к постоянной процедуре инфузии, Карсон²² также предложил гибридный болюс / инфузии процедуры, где цель состоит в том, чтобы быстро достичь равновесия в начале сканирования, а затем поддерживать уровень радиоактивности плазмы в равновесии для продолжительность сканирования. Rischka et al.²⁰ недавно применили эту технику, используя 20% болюс плюс 80% инфузии. Как и ожидалось, функция ввода артерий быстро поднялась выше базовых уровней и поддерживалась более высокими темпами в течение более длительного времени, по сравнению с результатами с использованием инфузионной процедуры^19,21.

В настоящем документе описаны протоколы приобретения для приобретения высокого временного разрешения FDG-fПЭТ-сканирования с использованием инфузии только и болюс / инфузии radiotracer администрации. Эти протоколы были разработаны для использования в одновременных МРТ-ПЭТ среде с 90-95 мин время приобретения¹⁹. В протоколе берутся образцы крови для количественной оценки радиоактивности плазменной сыворотки для последующей количественной оценки ПЭТ-изображений. В то время как в центре внимания протокола является применение методов инфузии для функциональной нейровизуализации с использованием BOLD-fMRI/FDG-fPET, эти методы могут быть применены к любому исследованию FDG-fPET независимо от того, является ли одновременный МРТ, BOLD-f Приобретены МРТ, компьютерная томография (КТ) или другие нейроизображения. На рисунке 1 показана диаграмма процедур в этом протоколе.

Protocol

Этот протокол был рассмотрен и одобрен Комитетом по этике исследований человека Университета Монаша (утвержденный номер CF16/1108 – 2016000590) в соответствии с Национальным заявлением Австралии об этичном поведении в исследованиях человека24. Процедуры были разработаны под руков?…

Representative Results

Методы, специфичными для изученияЗдесь, изучение конкретных деталей для репрезентативных результатов, сообщается. Эти детали не имеют критического значение для процедуры и будут варьироваться в зависимости от исследований. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page=…

Discussion

FDG-PET является мощной технологией визуализации, которая измеряет поглощение глюкозы, индекс метаболизма глюкозы в мозге. На сегодняшний день, большинство исследований неврологии с использованием FDG-PET использовать традиционный подход к администрированию болуса, со статическим разреше…

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.