Analyse van 18FDG-PET/CT Imaging als een hulpmiddel voor studeren Mycobacterium tuberculosis infectie en behandeling in niet-menselijke primaten
Summary
Hier presenteren we een protocol om te beschrijven de analyse voor 18F-FDG PET/CT imaging in niet-menselijke primaten die zijn besmet met M. tuberculosis te bestuderen ziekteproces, medicamenteuze behandeling en reactivering van de ziekte.
Abstract
Mycobacterium tuberculosis blijft de nummer een besmettelijke agent in de wereld vandaag. Met de opkomst van antibiotica-resistente stammen, zijn de nieuwe klinisch relevante methoden die het ziekteproces en scherm voor potentiële antibioticum en vaccin behandelingen evalueren nodig. Positron emissie tomografie/Computed Tomografie (PET/CT) is opgezet als een waardevol instrument voor het bestuderen van een aantal aandoeningen zoals kanker, de ziekte van Alzheimer en ontsteking/infectie. Hier geschetst zijn een aantal strategieën die zijn tewerkgesteld te evalueren PET/CT-beelden in cynomolgus Makaken die intrabronchially geïnfecteerd zijn met lage doses van M. tuberculosis. Door middel van evaluatie van de grootte van de laesie op CT en opname van 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) in de laesies en lymfklieren in PET afbeeldingen, tonen deze beschreven methoden dat PET/CT beeldvorming kan het voorspellen van toekomstige ontwikkeling van actieve versus latente ziekte en de neiging voor het opnieuw activeren van een latente staat van infectie. Bovendien, door het analyseren van het algemene niveau van Long ontsteking, bepalen deze methoden antibiotica werkzaamheid van geneesmiddelen tegen M. tuberculosis in de klinisch meest relevante bestaande diermodel. Deze afbeelding analysemethoden zijn enkele van de meest krachtige tools in het arsenaal tegen deze ziekte zoals niet alleen kunnen zij een aantal kenmerken van de infectie en medicamenteuze behandeling evalueren, maar ze ook direct worden omgezet naar een klinische setting voor gebruik in menselijke zijn studies.
Introduction
Mycobacterium tuberculosis mens voor millennia heeft geteisterd en veroorzaakt meer sterfte dan alle andere enkele besmettelijke agentia in de wereld vandaag. In 2015 waren er 10,5 miljoen gemelde nieuwe gevallen van tuberculose (TB) wereldwijd1 met de meerderheid van de gevallen afkomstig uit India, Indonesië, China, Nigeria, Pakistan en Zuid-Afrika. Raming plaats de globale dodentol van TB aan 1,4 miljoen mensen in die periode. Deze waarde is bijna 25% lager is dan het sterftecijfer 100 jaar geleden. Hoewel gevoelige TB drug behandelbaar is, het regime is lang vereisen meerdere medicijnen en compliance is een bron van zorg. De opkomst van multi-resistente (MDR) stammen verantwoord ~ 580,000 van de nieuwe TB gevallen in 2015. Het tarief van de succesvolle behandeling van patiënten met MDR stammen van M. tuberculosis wordt alleen geschat op ongeveer 50%. Nog meer verontrustend is de opkomst van uitgebreid (XDR) resistentie van M. tuberculosis, die resistent zijn tegen bijna elke beschikbare drug. Dus zijn nieuwe technieken nodig binnen het onderzoeksveld TB die verbeteren de mogelijkheid voor de diagnose van TB, de immunologische begrip van het ziekteproces te vergroten, en zorgen voor de screening van nieuwe behandelingen en preventiestrategieën met inbegrip van antibioticum regimes en vaccin werkzaamheid studies.
M. tuberculosis is een aërobe zuurvaste bacillus die fysiek wordt gekenmerkt door zijn zeer complexe buitenste celwand en kinetiek van de trage groei. Infectie treedt in het algemeen op inademing van individuele bacteriën bevatte in aërosol druppeltjes die een symptomatisch, besmette persoon zijn uitgezet bij hoesten, niezen of zingen. Van de blootgestelde personen die infectie ontwikkelen, ontwikkelen slechts 5-10% van de mensen actieve klinische TB. De resterende 90% hebben een wisselende spectrum van asymptomatische infecties die varieert van subklinische infectie tot geen ziekte helemaal niet, die allemaal klinisch is geclassificeerd als latente TB infectie (LTBI)2,3. Van de bevolking dat deze asymptomatische infectie heeft, zal ongeveer 10% actieve TB ontwikkelen door reactivering van de ingeperkte infectie in hun leven. Het risico van reactivering drastisch verhoogt als een persoon met asymptomatische infectie contracten HIV of behandeling met een immunosuppressieve drug, zoals TNF remmers4,5,6ondergaat. Actieve TB ziekte ook presenteert als een spectrum, bij de meeste mensen hebben pulmonaire TB, die de longen en lymfklieren thoracale treft. M. tuberculosis kan echter orgel, infecteren, zodat de infectie kan ook aanwezig in Extrapulmonale sites van betrokkenheid.
De pathologische kenmerk van M. tuberculosis infectie is een georganiseerde bolvormige structuur van cellen van de gastheer, genaamd de granuloma. Macrofagen, T-cellen en B-cellen zijn belangrijke onderdelen van de granuloma, met een variabel aantal neutrofielen7. Het centrum van de granuloma is vaak necrotische. Dus, granulomas fungeren als een immuun communicatie om te doden of bevatten de bacillen, voorkomen van verspreiding naar andere delen van de longen. M. tuberculosis kan echter ondermijnen doden door de granuloma en binnen deze structuren aanhouden voor decennia. Consistente en regelmatige monitoring van de ontwikkeling van actieve TB ziekte na nieuwe infectie of reactivering van LTBI is onpraktisch, wetenschappelijk uitdagende en tijdrovend. Technieken die in de lengterichting, bestuderen van deze processen in mens en mens-achtig diermodellen, zijn uiterst nuttig voor de wetenschappelijke gemeenschap in het bevorderen van het inzicht in de vele complexiteit van M. tuberculosis infectie en ziekte.
PET/CT is een uiterst nuttig beeldvormende techniek die heeft gewerkt aan het bestuderen van een breed scala aan ziekte staten in mens en diermodellen8. Het huisdier is een functionele techniek die radioactieve stoffen positron-emitting als verslaggever gebruikt. Deze radio-isotopen zijn meestal matiemaatschappij naar een metabole compound, zoals glucose, of van een gerichte groep die is ontworpen om te binden aan een receptor van belang. Aangezien de straling van PET isotopen krachtig genoeg om te penetreren weefsel is, zeer lage concentraties inzetbaar waardoor voor studie onder het niveau van de verzadiging in de receptor-targeting verbindingen en met een laag genoeg concentratie hebben geen invloed op de stofwisseling processen bij het gebruik van agenten zoals 2-deoxy – 2-(18F) Fluoro-D-glucose (FDG). CT is een driedimensionale röntgenfoto beeldvormende techniek die gebruikmaakt van verschillende niveaus van x-ray demping te identificeren van de fysieke kenmerken van de organen binnen het lichaam9. Wanneer in paren gerangschikt met wordt PET, CT gebruikt als een kaart om te bepalen van specifieke locaties en structuren die de opname van een PET radiotracer Toon. PET/CT is een krachtig hulpmiddel voor in vivo imaging van zowel mens en diermodellen besmet met M. tuberculosis -infectie die heeft geleid tot vele belangrijke inzichten in de pathogenese, reactie op medicamenteuze behandeling, ziekte spectrum, enz6 ,10,11,12. Dit werk beschrijft specifieke PET/CT analytische methoden om te studeren TB in niet-menselijke primaten modellen overlangs met behulp van parameters zoals granuloma grootte, FDG opname in individuele laesies, hele Long- en lymfeklier FDG avidity en detectie van Extrapulmonale ziekte6,10,11,12.
Dit manuscript wordt beschreven methoden van imaging analyse in niet-menselijke primaten (NHPs), specifiek cynomolgus Makaken, die worden gebruikt om de progressie van de ziekte en medicamenteuze behandeling na infectie met M. tuberculosis lengterichting te evalueren . NHPs zijn een waardevolle diermodel omdat wanneer geënt met een lage dosis van M. tuberculosis Erdman stam, dieren een grote variatie van ziekte resultaten met ~ 50 tonen % ontwikkelen van actieve Tuberculose en de resterende dieren asymptomatische infectie (d.w.z. controle van de besmetting, LTBI), die het dichtst model tot het spectrum van de klinische ziekte gezien in mens3,13,14,15,16. Reactivering van LTBI in Makaken wordt geactiveerd door de dezelfde agenten die reactivering bij de mens veroorzaken, waarin van voorbeelden humaan immunodeficiëntie virus (HIV, met behulp van simian immunodeficiëntie virus (SIV) als de makaak versie van HIV), CD4 uitputting of tumor necrose factor (TNF) neutralisatie13,16. Daarnaast presenteren Makaken pathologie die is zeer vergelijkbaar met die bij de mens, met inbegrip van de georganiseerde granulomas die vormen in de longen of andere organen17gezien. Dus, dit model heeft verstrekt belangrijke inzichten in de fundamentele gastheer-pathogeen interacties in M. tuberculose infectie, evenals de waardevolle kennis over drugs regimes en vaccins voor tuberculose14,18 , 19 , 20 , 21.
PET/CT beeldvorming biedt de mogelijkheid om het uiterlijk, de distributie en de progressie van individuele granulomas volgen. Dit werk heeft FDG voornamelijk gebruikt als een sonde, die, als een analoog van glucose, in metabolisch actief gastheer cellen, zoals neutrofiele granulocyten, macrofagen en lymfocyten8 integreert, die allemaal in de granulomen. Dus, is FDG een proxy voor host ontsteking. De analysemethodes gedetailleerde gebruikt hierin OsiriX, een veel gebruikte DICOM viewer beschikbaar voor aankoop en gebruik. De beschreven methoden voor de analyse van afbeelding bijhouden van de vorm, grootte en metabole activiteit (via FDG opname) van individuele granulomas na verloop van tijd en imaging gebruikt als een kaart voor het identificeren van specifieke letsels op dierlijke necropsie. Bovendien een afzonderlijke methode ontwikkeld die kwantificeert de sommatie van FDG opname in de longen boven een bepaalde drempel (SUV ≥ 2.3) en gebruikt deze waarde om te evalueren van verschillen tussen controle en experimentele groepen over studies variërend van vaccin proeven met modellen van co-infectie. Deze gegevens ondersteunen die deze algemene maatregel van FDG opname in de longen is gecorreleerd met bacteriële belasting, dus het verstrekken van informatie over de status van de ziekte. Soortgelijke analyses kunnen worden uitgevoerd op de opname van FDG thoracale lymfklieren te bestuderen van de progressie van de ziekte. Het volgende protocol beschrijft het experimentele proces van dierlijke infectie door beeldanalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gegevens verkregen uit PET/CT kan worden gebruikt als surrogaat metingen voor vele aspecten van M. tuberculosis -infectie die zou onwaarneembare zonder dergelijke technologie. PET/CT is veel gevoeliger dan röntgentechnologie, die vaak wordt gebruikt in Makaken studies. PET/CT biedt structurele, ruimtelijke en functionele informatie. De hierboven beschreven analyses hebben vele praktische toepassingen zoals de monitoring van de progressie van de ziekte, beoordeling van de doeltreffendheid van medicamenteuze beha…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen erkennen Mark Rodgers voor het overzicht van de procedures van de infectie en L. Eoin Carney en Brian Lopresti voor begeleiding bij de oprichting van deze beeldvormende procedures. Financiering voor dit werk is verstrekt door de Bill en Melinda Gates Foundation (J.L.F., P.L.L.), National Institutes of Health, nationale instituten van allergie en besmettelijke ziekten R01 AI111871 (P.L.L.), nationale hart Long- en bloed Instituut 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).
