In vivo Tomografia ad emissione di positroni per rivelare i modelli di attività indotti dalla stimolazione cerebrale profonda nei ratti
Summary
Descriviamo un metodo sperimentale preclinico per valutare la neuromodulazione metabolica indotta dalla stimolazione cerebrale profonda acuta con FDG-PET in vivo . Questo manoscritto comprende tutte le fasi sperimentali, dalla chirurgia stereotassica all’applicazione del trattamento di stimolazione e all’acquisizione, elaborazione e analisi di immagini PET.
Abstract
La stimolazione cerebrale profonda (DBS) è una tecnica neurochirurgica invasiva basata sull’applicazione di impulsi elettrici alle strutture cerebrali coinvolte nella fisiopatologia del paziente. Nonostante la lunga storia della DBS, il suo meccanismo d’azione e i protocolli appropriati rimangono poco chiari, evidenziando la necessità di ricerche volte a risolvere questi enigmi. In questo senso, valutare gli effetti in vivo della DBS utilizzando tecniche di imaging funzionale rappresenta una potente strategia per determinare l’impatto della stimolazione sulla dinamica cerebrale. Qui viene descritto un protocollo sperimentale per modelli preclinici (ratti Wistar), combinato con uno studio longitudinale [18F]-fluorodesossiclucosa tomografia ad emissione di positroni (FDG-PET), per valutare le conseguenze acute della DBS sul metabolismo cerebrale. In primo luogo, gli animali sono stati sottoposti a chirurgia stereotassica per l’impianto bilaterale di elettrodi nella corteccia prefrontale. È stata acquisita una tomografia computerizzata post-chirurgica (TC) di ciascun animale per verificare il posizionamento degli elettrodi. Dopo una settimana di recupero, è stato acquisito un primo FDG-PET statico di ciascun animale operato senza stimolazione (D1) e due giorni dopo (D2), un secondo FDG-PET è stato acquisito mentre gli animali venivano stimolati. Per questo, gli elettrodi sono stati collegati a uno stimolatore isolato dopo aver somministrato FDG agli animali. Pertanto, gli animali sono stati stimolati durante il periodo di assorbimento di FDG (45 min), registrando gli effetti acuti della DBS sul metabolismo cerebrale. Data la natura esplorativa di questo studio, le immagini FDG-PET sono state analizzate con un approccio voxel-wise basato su un T-test accoppiato tra studi D1 e D2. Nel complesso, la combinazione di DBS e studi di imaging consente di descrivere le conseguenze della neuromodulazione sulle reti neurali, contribuendo in definitiva a svelare gli enigmi che circondano la DBS.
Introduction
Il termine neurostimolazione comprende una serie di tecniche diverse volte a stimolare il sistema nervoso con un obiettivo terapeutico1. Tra questi, la stimolazione cerebrale profonda (DBS) si distingue come una delle strategie di neurostimolazione più diffuse nella pratica clinica. La DBS consiste nella stimolazione dei nuclei cerebrali profondi con impulsi elettrici erogati da un neurostimolatore, impiantati direttamente nel corpo del paziente, attraverso elettrodi posti nel bersaglio cerebrale per essere modulati mediante chirurgia stereotassica. Il numero di articoli che valutano la fattibilità dell’applicazione della DBS in diversi disturbi neurologici e psichiatrici è in continua crescita2, sebbene solo alcuni di essi siano stati approvati dalla Food and Drug Association (FDA) (cioè tremore essenziale, morbo di Parkinson, distonia, disturbo ossessivo-compulsivo ed epilessia refrattaria dal punto di vista medico)3 . Inoltre, un gran numero di bersagli cerebrali e protocolli di stimolazione sono in fase di ricerca per il trattamento DBS di molte più patologie di quelle ufficialmente approvate, ma nessuna di esse è considerata definitiva. Queste incongruenze nella ricerca sulla DBS e nelle procedure cliniche possono in parte essere dovute alla mancanza di una piena comprensione del suo meccanismo d’azione4. Pertanto, sono stati fatti enormi sforzi per decifrare gli effetti in vivo della DBS sulla dinamica cerebrale, poiché ogni progresso, per quanto piccolo, aiuterà a perfezionare i protocolli DBS per un maggiore successo terapeutico.
In questo contesto, le tecniche di imaging molecolare aprono una finestra diretta per osservare in vivo gli effetti neuromodulatori della DBS. Questi approcci offrono l’opportunità non solo di determinare l’impatto della DBS mentre viene applicata, ma anche di svelare la natura delle sue conseguenze, prevenire effetti collaterali indesiderati e miglioramenti clinici e persino adattare i parametri di stimolazione alle esigenze del paziente5. Tra questi metodi, la tomografia ad emissione di positroni (PET) che utilizza 2-deossi-2-[18F]fluoro-D-glucosio (FDG) è di particolare interesse perché fornisce informazioni specifiche e in tempo reale sullo stato di attivazione di diverse regioni cerebrali6. In particolare, l’imaging FDG-PET fornisce una valutazione indiretta dell’attivazione neurale basata sul principio fisiologico dell’accoppiamento metabolico tra neuroni e cellule gliali6. In questo senso, diversi studi clinici hanno riportato modelli di attività cerebrale modulati da DBS utilizzando FDG-PET (vedi3 per la revisione). Tuttavia, gli studi clinici presentano facilmente diversi inconvenienti quando si concentrano sui pazienti, come l’eterogeneità o le difficoltà di reclutamento, che limitano fortemente il loro potenziale di ricerca6. Questo contesto porta i ricercatori a utilizzare modelli animali di condizioni umane per valutare approcci biomedici prima della loro traduzione clinica o, se già applicati nella pratica clinica, per spiegare l’origine fisiologica dei benefici terapeutici o degli effetti collaterali. Pertanto, nonostante le grandi distanze tra la patologia umana e la condizione modellata negli animali da laboratorio, questi approcci preclinici sono essenziali per una transizione sicura ed efficace nella pratica clinica.
Questo manoscritto descrive un protocollo DBS sperimentale per modelli murini, combinato con uno studio longitudinale FDG-PET, al fine di valutare le conseguenze acute della DBS sul metabolismo cerebrale. I risultati ottenuti con questo protocollo possono aiutare a svelare gli intricati schemi modulatori indotti sull’attività cerebrale dalla DBS. Pertanto, viene fornita un’adeguata strategia sperimentale per esaminare in vivo le conseguenze della stimolazione, consentendo ai medici di anticipare gli effetti terapeutici di circostanze specifiche e quindi adattare i parametri di stimolazione alle esigenze del paziente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dati i progressi nella comprensione della funzione cerebrale e delle reti neurali coinvolte nella fisiopatologia dei disturbi neuropsichiatrici, sempre più ricerche stanno riconoscendo il potenziale della DBS in una vasta gamma di patologie neurologiche2. Tuttavia, il meccanismo d’azione di questa terapia rimane poco chiaro. Diverse teorie hanno tentato di spiegare gli effetti ottenuti in specifiche circostanze patologiche e di stimolazione, ma l’eterogeneità degli studi proposti rende molto dif…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo le Prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco e Yolanda Sierra per il loro prezioso supporto nell’ottimizzazione della metodologia qui descritta. MLS è stato sostenuto dal Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (numero di progetto PI17/01766 e numero di sovvenzione BA21/0030) cofinanziato dal Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR), “Un modo per fare l’Europa”; CIBERSAM (progetto numero CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (numero di progetto 2017/085); Fundación Mapfre; e Fundación Alicia Koplowitz. MCV è stato sostenuto dalla Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno come borsista di questa istituzione e dal Programma congiunto dell’UE – Ricerca sulle malattie neurodegenerative (JPND). Il DRM è stato sostenuto dalla Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, cofinanziato dal Fondo sociale europeo “Investing in your future” (numero di sovvenzione PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR è stato sostenuto dall’Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. Il lavoro di MD è stato sostenuto dal Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) e dall’Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044). Il CNIC è sostenuto dall’Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), dal Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) e dalla Fondazione Pro CNIC, ed è un Centro di Eccellenza Severo Ochoa (SEV-2015-0505).
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 |
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