In vivo Tomografía por emisión de positrones para revelar patrones de actividad inducida por estimulación cerebral profunda en ratas

Summary

Describimos un método experimental preclínico para evaluar la neuromodulación metabólica inducida por la estimulación cerebral profunda aguda con FDG-PET in vivo . Este manuscrito incluye todos los pasos experimentales, desde la cirugía estereotáxica hasta la aplicación del tratamiento de estimulación y la adquisición, procesamiento y análisis de imágenes PET.

Abstract

La estimulación cerebral profunda (DBS) es una técnica neuroquirúrgica invasiva basada en la aplicación de pulsos eléctricos a las estructuras cerebrales implicadas en la fisiopatología del paciente. A pesar de la larga historia de DBS, su mecanismo de acción y protocolos apropiados siguen sin estar claros, destacando la necesidad de investigación con el objetivo de resolver estos enigmas. En este sentido, evaluar los efectos in vivo de la ECP utilizando técnicas de imagen funcional representa una estrategia poderosa para determinar el impacto de la estimulación en la dinámica cerebral. Aquí, se describe un protocolo experimental para modelos preclínicos (ratas Wistar), combinado con un estudio longitudinal [¹⁸F]-tomografía por emisión de positrones fluorodesoxiclucosa (FDG-PET), para evaluar las consecuencias agudas de DBS en el metabolismo cerebral. Primero, los animales se sometieron a cirugía estereotáctica para la implantación bilateral de electrodos en la corteza prefrontal. Se adquirió una tomografía computarizada (TC) postquirúrgica de cada animal para verificar la colocación del electrodo. Después de una semana de recuperación, se adquirió un primer FDG-PET estático de cada animal operado sin estimulación (D1), y dos días después (D2), se adquirió un segundo FDG-PET mientras se estimulaban los animales. Para eso, los electrodos se conectaron a un estimulador aislado después de administrar FDG a los animales. Por lo tanto, los animales fueron estimulados durante el período de captación de FDG (45 min), registrando los efectos agudos de DBS en el metabolismo cerebral. Dada la naturaleza exploratoria de este estudio, las imágenes FDG-PET se analizaron mediante un enfoque de vóxeles basado en una prueba T pareada entre los estudios D1 y D2. En general, la combinación de DBS y estudios de imagen permite describir las consecuencias de la neuromodulación en las redes neuronales, lo que en última instancia ayuda a desentrañar los enigmas que rodean a DBS.

Introduction

El término neuroestimulación engloba una serie de técnicas diferentes dirigidas a estimular el sistema nervioso con un objetivo terapéutico¹. Entre ellas, la estimulación cerebral profunda (ECP) destaca como una de las estrategias de neuroestimulación más extendidas en la práctica clínica. La DBS consiste en la estimulación de núcleos cerebrales profundos con pulsos eléctricos entregados por un neuroestimulador, implantados directamente en el cuerpo del paciente, a través de electrodos colocados en el objetivo cerebral para ser modulados por cirugía estereotáctica. El número de artículos que evalúan la viabilidad de la aplicación de DBS en diferentes trastornos neurológicos y psiquiátricos está creciendo continuamente², aunque solo algunos de ellos han sido aprobados por la Food and Drug Association (FDA) (es decir, temblor esencial, enfermedad de Parkinson, distonía, trastorno obsesivo-compulsivo y epilepsia médicamente refractaria)³ . Además, se están investigando un gran número de dianas cerebrales y protocolos de estimulación para el tratamiento de la ECP de muchas más patologías de las aprobadas oficialmente, pero ninguna de ellas se considera definitiva. Estas inconsistencias en la investigación de ECP y los procedimientos clínicos pueden deberse en parte a la falta de comprensión completa de su mecanismo de acción⁴. Por lo tanto, se están haciendo grandes esfuerzos para descifrar los efectos in vivo de DBS en la dinámica cerebral, ya que cada avance, por pequeño que sea, ayudará a refinar los protocolos de DBS para un mayor éxito terapéutico.

En este contexto, las técnicas de imagen molecular abren una ventana directa para observar los efectos neuromoduladores in vivo de la ECP. Estos enfoques brindan la oportunidad no solo de determinar el impacto de la ECP mientras se aplica, sino también de desentrañar la naturaleza de sus consecuencias, prevenir efectos secundarios no deseados y mejoría clínica, e incluso adaptar los parámetros de estimulación a las necesidades del paciente⁵. Entre estos métodos, la tomografía por emisión de positrones (PET) con 2-desoxi-2-[¹⁸F]fluoro-D-glucosa (FDG) es de particular interés porque proporciona información específica y en tiempo real sobre el estado de activación de diferentes regiones cerebrales⁶. Específicamente, la imagen FDG-PET proporciona una evaluación indirecta de la activación neuronal basada en el principio fisiológico del acoplamiento metabólico entre las neuronas y las células gliales⁶. En este sentido, varios estudios clínicos han reportado patrones de actividad cerebral modulados por DBS usando FDG-PET (ver³ para revisión). Sin embargo, los estudios clínicos incurren fácilmente en varios inconvenientes cuando se centran en los pacientes, como la heterogeneidad o las dificultades de reclutamiento, que limitan fuertemente su potencial de investigación⁶. Este contexto lleva a los investigadores a utilizar modelos animales de condiciones humanas para evaluar enfoques biomédicos antes de su traducción clínica o, si ya se aplican en la práctica clínica, para explicar el origen fisiológico de los beneficios terapéuticos o efectos secundarios. Por lo tanto, a pesar de las grandes distancias entre la patología humana y la condición modelada en animales de laboratorio, estos enfoques preclínicos son esenciales para una transición segura y efectiva a la práctica clínica.

Este manuscrito describe un protocolo experimental de DBS para modelos murinos, combinado con un estudio longitudinal de FDG-PET, con el fin de evaluar las consecuencias agudas de DBS en el metabolismo cerebral. Los resultados obtenidos con este protocolo pueden ayudar a desentrañar los intrincados patrones moduladores inducidos en la actividad cerebral por DBS. Por lo tanto, se proporciona una estrategia experimental adecuada para examinar in vivo las consecuencias de la estimulación, lo que permite a los médicos anticipar los efectos terapéuticos en circunstancias específicas y luego adaptar los parámetros de estimulación a las necesidades del paciente.

Protocol

Los procedimientos con animales de experimentación se realizaron de acuerdo con la Directiva 2010/63/UE del Consejo de Comunidades Europeas, y aprobados por el Comité de Ética para la Experimentación Animal del Hospital Gregorio Marañón. Un resumen gráfico del protocolo experimental se muestra en la Figura 1A. 1. Localización del objetivo cerebral mediante neuroimagen in vivo Preparación animalNOTA: Se utilizaron ratas Wista…

Representative Results

Los animales fueron sacrificados usandoCO2 al final del estudio o cuando el bienestar del animal se vio comprometido. Un ejemplo de un estudio completo de PET/CT de un animal operado se muestra en la Figura 3. Por lo tanto, el electrodo insertado en el cerebro de la rata se puede observar claramente en la imagen de TC que se muestra en la Figura 3A. Esta modalidad de imagen proporciona una buena información anatómica y facilita el registro de imáge…

Discussion

Dados los avances en la comprensión de la función cerebral y las redes neuronales involucradas en la fisiopatología de los trastornos neuropsiquiátricos, cada vez más investigaciones reconocen el potencial de la ECP en una amplia gama de patologías de base neurológica². Sin embargo, el mecanismo de acción de esta terapia sigue sin estar claro. Varias teorías han intentado explicar los efectos obtenidos en circunstancias patológicas y de estimulación específicas, pero la heterogeneidad …

Materials

7-Tesla Biospec 70/20 scanner	Bruker, Germany	SN0021	MRI scanner for small animal imaging
Betadine	Meda Pharma S.L., Spain	644625.6	Iodine solution (iodopovidone)
Beurer IL 11	Beurer	SN87318	Infra-red light
Bipolar cable 50 cm w/50 cm mesh covering up to 100 cm	Plastics One, USA	305-305 (CM)
Bipolar cable TT2  50 cm up to 100 cm	Plastics One, USA	305-340/2	Bipolar cable TT2  50 cm up to 100 cm
Buprex	Schering-Plough, S.A	961425	Buprenorphine (analgesic)
Ceftriaxona Reig Jofré 1g IM	Laboratorio Reig Jofré S.A., Spain	624239.1	Ceftriaxone (antibiotic)
Commutator	Plastics One, USA	SL2+2C	4 Channel Commutator for DBS
Concentric bipolar platinum-iridium electrodes	Plastics One, USA	MS303/8-AIU/Spc	Electrodes for DBS
Driller	Bosh	T58704	Driller
FDG	Curium Pharma Spain S.A., Spain	—–	2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (PET radiotracer)
Heating pad	DAGA, Spain	23115	Heating pad
Ketolar	Pfizer S.L., Spain	776211.9	Ketamine (anesthetic drug)
Lipolasic 2 mg/g	Bausch & Lomb S.A, Spain	65277	Ophthalmic lubricating gel
MatLab R2021a	The MathWorks, Inc		Support software for SPM12
MRIcro	McCausland Center for Brain Imaging,  University of South Carolina, USA	v2.1.58-0	Software for imaging preprocessing and analysis
Multimodality Workstation (MMWKS)	BiiG, Spain		Software for imaging processing and analysis
Omicrom VISION VET	RGB Medical Devices, Spain	731100 ReV B	Cardiorrespiratory monitor for small imaging
Prevex Cotton buds	Prevex, Finland	—–	Cotton buds
Sevorane	AbbVie Spain, S.L.U, Spain	673186.4	Sevoflurane (inhalatory anesthesia)
Small screws	Max Witte GmbH	1,2 x 2 DIN 84 A2	Small screws
Standard U-Frame Stereotaxic Instrument for Rat, 18° Ear Bar	Harvard Apparatus, USA	75-1801	Two-arms Stereotactic frame for rat
Statistical Parametric Mapping (SPM12)	The Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Queen Square Institute of Neurology, UK	SPM12	Software for voxel-wise imaging analysis
STG1004	Multi Channel Systems GmbH, Germany	STG1004	Isolated stimulator
SuperArgus PET/CT scanner	Sedecal, Spain	S0026403	NanoPET/CT scanner for small animal imaging
Suture thread with needle, 1/º	Lorca Marín S.A., Spain	55325	Braided natural silk non-absorbable suture 1/0, with triangle needle
Technovit 4004 (powder and liquid)	Kulzer Technique, Germany	64708471; 64708474	Acrylic dental cement for craniotomy tap
Wistar rats (Rattus norvergicus)	Charles River, Spain	animal facility	Animal model used
Xylagesic	Laboratorios Karizoo, A.A, Spain	572599-4	Xylazine (anesthetic drug)
	Normon S.A., Spain	602910	Mepivacaine in gel for topical use