In vivo טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים לחשיפת דפוסי פעילות המושרים על ידי גירוי מוחי עמוק בחולדות
Summary
אנו מתארים שיטה ניסיונית פרה-קלינית להערכת נוירומודולציה מטבולית המושרה על-ידי גירוי מוחי עמוק חריף באמצעות in vivo FDG-PET. כתב יד זה כולל את כל השלבים הניסיוניים, החל מניתוח סטריאוטקסי ועד ליישום הטיפול בגירוי ורכישה, עיבוד וניתוח של תמונות PET.
Abstract
גירוי מוחי עמוק (DBS) היא טכניקה נוירוכירורגית פולשנית המבוססת על יישום פולסים חשמליים למבנים מוחיים המעורבים בפתופיזיולוגיה של המטופל. למרות ההיסטוריה הארוכה של DBS, מנגנון הפעולה והפרוטוקולים המתאימים שלו עדיין אינם ברורים, ומדגישים את הצורך במחקר שמטרתו לפתור את החידות הללו. במובן זה, הערכת ההשפעות in vivo של DBS באמצעות טכניקות הדמיה תפקודית מייצגת אסטרטגיה רבת עוצמה כדי לקבוע את ההשפעה של גירוי על הדינמיקה במוח. כאן מתואר פרוטוקול ניסיוני למודלים פרה-קליניים (חולדות Wistar), בשילוב עם מחקר אורך [18F]-פלואורודוקסיקלוקוז טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (FDG-PET), כדי להעריך את ההשלכות החריפות של DBS על חילוף החומרים במוח. ראשית, בעלי חיים עברו ניתוח סטריאוטקטי להשתלה דו-צדדית של אלקטרודות בקליפת המוח הקדם-מצחית. סריקת טומוגרפיה ממוחשבת (CT) לאחר ניתוח של כל חיה נרכשה כדי לאמת את מיקום האלקטרודות. לאחר שבוע של התאוששות, נרכש FDG-PET סטטי ראשון של כל חיה שנותחה ללא גירוי (D1), ויומיים לאחר מכן (D2), נרכש FDG-PET שני בזמן שבעלי החיים היו מגורה. לשם כך, האלקטרודות חוברו לממריץ מבודד לאחר מתן FDG לבעלי החיים. לפיכך, בעלי חיים היו מגורה במהלך תקופת ספיגת FDG (45 דקות), רישום ההשפעות החריפות של DBS על חילוף החומרים במוח. בהתחשב באופי החקרני של מחקר זה, תמונות FDG-PET נותחו על ידי גישה חכמה של ווקסל המבוססת על מבחן T זוגי בין מחקרי D1 ו- D2. באופן כללי, השילוב של DBS ומחקרי הדמיה מאפשר לתאר את ההשלכות של נוירומודולציה על רשתות עצביות, ובסופו של דבר עוזר לפענח את הבלבול סביב DBS.
Introduction
המונח גירוי עצבי מקיף מספר טכניקות שונות שמטרתן לעורר את מערכת העצבים עם מטרה טיפולית1. ביניהם, גירוי מוחי עמוק (DBS) בולט כאחת האסטרטגיות הנפוצות ביותר לגירוי עצבי בקליניקה. DBS מורכב מגירוי של גרעיני מוח עמוקים עם פולסים חשמליים המועברים על ידי נוירוסטימולטור, המושתלים ישירות לגוף המטופל, באמצעות אלקטרודות הממוקמות לתוך המטרה המוחית כדי להיות מווסת על ידי ניתוח סטריאוטקטי. מספר המאמרים המעריכים את ההיתכנות של יישום DBS בהפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות שונות גדל בהתמדה2, אם כי רק חלקם אושרו על ידי איגוד המזון והתרופות (FDA) (כלומר, רעד חיוני, מחלת פרקינסון, דיסטוניה, הפרעה אובססיבית-קומפולסיבית ואפילפסיה עקשן מבחינה רפואית)3 . יתר על כן, מספר רב של מטרות מוחיות ופרוטוקולי גירוי נמצאים תחת מחקר לטיפול DBS בהרבה יותר פתולוגיות ממה שאושר רשמית, אך אף אחת מהן אינה נחשבת סופית. חוסר עקביות זה במחקר DBS ובהליכים קליניים עשוי לנבוע בחלקו מחוסר הבנה מלאה של מנגנון הפעולה שלו4. לכן, נעשים מאמצים אדירים לפענח את השפעות ה-in vivo של DBS על הדינמיקה של המוח, שכן כל התקדמות, קטנה ככל שתהיה, תסייע לשכלל את פרוטוקולי ה-DBS להצלחה טיפולית גדולה יותר.
בהקשר זה, טכניקות הדמיה מולקולרית פותחות חלון ישיר להתבוננות בהשפעות נוירומודולטוריות in vivo של DBS. גישות אלה מספקות הזדמנות לא רק לקבוע את ההשפעה של DBS בזמן שהוא מיושם, אלא גם לפענח את אופי ההשלכות שלו, למנוע תופעות לוואי לא רצויות ושיפור קליני, ואף להתאים פרמטרים של גירוי לצרכי המטופל5. בין שיטות אלה, טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) באמצעות 2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose (FDG) מעניינת במיוחד מכיוון שהיא מספקת מידע ספציפי ובזמן אמת על מצב ההפעלה של אזורי מוח שונים6. באופן ספציפי, הדמיית FDG-PET מספקת הערכה עקיפה של הפעלה עצבית המבוססת על העיקרון הפיזיולוגי של צימוד מטבולי בין נוירונים לתאי גליה6. במובן זה, מספר מחקרים קליניים דיווחו על דפוסי פעילות מוחית מווסתת DBS באמצעות FDG-PET (ראוסקירה 3 ). עם זאת, למחקרים קליניים יש בקלות מספר חסרונות כאשר הם מתמקדים בחולים, כגון הטרוגניות או קשיי גיוס, המגבילים מאוד את פוטנציאל המחקר שלהם6. הקשר זה מוביל חוקרים להשתמש במודלים של בעלי חיים של מצבים אנושיים כדי להעריך גישות ביו-רפואיות לפני התרגום הקליני שלהן, או, אם כבר מיושם בפועל קליני, כדי להסביר את המקור הפיזיולוגי של יתרונות טיפוליים או תופעות לוואי. לפיכך, למרות המרחקים הגדולים בין הפתולוגיה האנושית לבין המצב המעוצב בחיות מעבדה, גישות פרה-קליניות אלה חיוניות למעבר בטוח ויעיל לפרקטיקה קלינית.
כתב יד זה מתאר פרוטוקול DBS ניסיוני למודלים של מורין, בשילוב עם מחקר אורך FDG-PET, על מנת להעריך את ההשלכות החריפות של DBS על חילוף החומרים במוח. התוצאות המתקבלות עם פרוטוקול זה עשויות לעזור לפענח את דפוסי המודולציה המורכבים המושרים על פעילות המוח על ידי DBS. לכן, ניתנת אסטרטגיה ניסיונית מתאימה לבחינת השלכות הגירוי in vivo , המאפשרת לקלינאים לצפות השפעות טיפוליות בנסיבות ספציפיות ולאחר מכן להתאים פרמטרים של גירוי לצרכי המטופל.
Protocol
Representative Results
Discussion
בהתחשב בהתקדמות בהבנת תפקוד המוח והרשתות העצביות המעורבות בפתופיזיולוגיה של הפרעות נוירופסיכיאטריות, יותר ויותר מחקרים מזהים את הפוטנציאל של DBS במגוון רחב של פתולוגיות מבוססות נוירולוגיה2. עם זאת, מנגנון הפעולה של טיפול זה עדיין לא ברור. מספר תיאוריות ניסו להסביר את ההשפעות …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לפרופ’ כריסטין וינטר, ג’וליה קליין, אלכסנדרה דה פרנסיסקו ויולנדה סיירה על תמיכתן שלא תסולא בפז באופטימיזציה של המתודולוגיה המתוארת כאן. ה-MLS נתמך על ידי המיניסטריו דה סיינסיה א אינובאסיון, מכון סאלוד קרלוס השלישי (מספר פרויקט PI17/01766 ומספר מענק BA21/0030) במימון משותף של הקרן האירופית לפיתוח אזורי (ERDF), “דרך להפוך את אירופה”; CIBERSAM (מספר פרויקט CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (project number 2017/085); Fundación Mapfre; ופונדאסיון אלישיה קופלוביץ. MCV נתמך על ידי Fundación טטיאנה פרז דה גוזמן אל בואנו כבעלת מלגה של מוסד זה, והתוכנית המשותפת של האיחוד האירופי – מחקר מחלות נוירודגנרטיביות (JPND). DRM נתמך על ידי Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, במימון משותף של הקרן החברתית האירופית “השקעה בעתיד שלך” (מענק מספר PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR נתמך על ידי המכון להשקעות סניטריה גרגוריו מאראניון, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. עבודת MD נתמכה על ידי מיניסטריו דה סינסיה א אינובאסיון (MCIN) ומכון סאלוד קרלוס השלישי (ISCIII) (PT20/00044). ה- CNIC נתמך על ידי מכון סאלוד קרלוס השלישי (ISCIII), המיניסטריו דה סינסיה א אינובאסיון (MCIN) וקרן Pro CNIC, והוא מרכז מצוינות של סברו אוצ’ואה (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 |
References
- Gildenberg, P. L. Neuromodulation: A historical perspective. Neuromodulation. 1, 9-20 (2009).
- Lee, D. J., Lozano, C. S., Dallapiazza, R. F., Lozano, A. M. Current and future directions of deep brain stimulation for neurological and psychiatric disorders. Journal of Neurosurgery. 131 (2), 333-342 (2019).
- Casquero-Veiga, M. Preclinical molecular neuroimaging in deep brain stimulation. Complutense University of Madrid. , (2021).
- Blaha, C. D. Theories of deep brain stimulation mechanisms. Deep Brain Stimulation: Indictions and Applications. , 314-338 (2016).
- Fins, J. J. Deep brain stimulation: Ethical issues in clinical practice and neurosurgical research. Neuromodulation. 1, 81-91 (2009).
- Desmoulin-Canselier, S., Moutaud, B. Animal models and animal experimentation in the development of deep brain stimulation: From a specific controversy to a multidimensional debate. Frontiers in Neuroanatomy. 13, 51 (2019).
- Casquero-Veiga, M., Hadar, R., Pascau, J., Winter, C., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Response to deep brain stimulation in three brain targets with implications in mental disorders: A PET study in rats. PLOS One. 11 (12), 0168689 (2016).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Understanding deep brain stimulation: In vivo metabolic consequences of the electrode insertional effect. BioMed Research International. 2018, 1-6 (2018).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Pascau, J., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Stimulating the nucleus accumbens in obesity: A positron emission tomography study after deep brain stimulation in a rodent model. PLOS One. 13 (9), 0204740 (2018).
- Pascau, J., Vaquero, J. J., Abella, M., Cacho, R., Lage, E., Desco, M. Multimodality workstation for small animal image visualization and analysis. Scientific Papers. Molecular Imaging and Biology. 8, 97-98 (2006).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Roy, M., et al. A dual tracer PET-MRI protocol for the quantitative measure of regional brain energy substrates uptake in the rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (82), e50761 (2013).
- Klein, J., et al. A novel approach to investigate neuronal network activity patterns affected by deep brain stimulation in rats. Journal of Psychiatric Research. 45 (7), 927-930 (2011).
- Soto-Montenegro, M. L., Pascau, J., Desco, M. Response to deep brain stimulation in the lateral hypothalamic area in a rat model of obesity: In vivo assessment of brain glucose metabolism. Molecular Imaging and Biology. , 830-837 (2014).
- Pascau, J., et al. Automated method for small-animal PET image registration with intrinsic validation. Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 107-113 (2009).
- Andersson, J. L. R. How to estimate global activity independent of changes in local activity. Neuroimage. 244 (60), 237-244 (1997).
- . Wellcome Trust Centre for Neuroimaging SPM12-Statitstical Parametric Mapping Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ (2022)
- Lozano, A. M., et al. Deep brain stimulation: current challenges and future directions. Nature Reviews Neurology. 15 (3), (2019).
- Boecker, H., Drzezga, A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. NeuroImage. 131, (2016).
- Sprengers, M., et al. Deep brain stimulation reduces evoked potentials with a dual time course in freely moving rats: Potential neurophysiological basis for intermittent as an alternative to continuous stimulation. Epilepsia. 61 (5), 903-913 (2020).
- Middlebrooks, E. H., et al. Acute brain activation patterns of high- versus low-frequency stimulation of the anterior nucleus of the thalamus during deep brain stimulation for epilepsy. Neurosurgery. 89 (5), 901-908 (2021).
- Ashkan, K., Rogers, P., Bergman, H., Ughratdar, I. Insights into the mechanisms of deep brain stimulation. Nature Reviews Neurology. 13 (9), 548-554 (2017).
- Williams, N. R., Taylor, J. J., Lamb, K., Hanlon, C. A., Short, E. B., George, M. S. Role of functional imaging in the development and refinement of invasive neuromodulation for psychiatric disorders. World Journal of Radiology. 6 (10), 756-778 (2014).
- Rodman, A. M., Dougherty, D. D. . Nuclear medicine in neuromodulation. Neuromodulation in Psychiatry. , 81-99 (2016).
- Albaugh, D. L., Shih, Y. -. Y. I. Neural circuit modulation during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease: what have we learned from neuroimaging studies. Brain Connectivity. 4 (1), 1-14 (2014).
- Mayberg, H. S., et al. Reciprocal limbic-cortical function and negative mood: Converging PET findings in depression and normal sadness. Neurology, and Radiology. 156 (5), 675-682 (1999).
- Kennedy, S. H., et al. Differences in brain glucose metabolism between responders to CBT and Venlafaxine in a 16-week randomized controlled trial. American Journal of Psychiatry. 164 (5), 778-788 (2007).
- Kennedy, S. H., et al. Changes in regional brain glucose metabolism measured with positron emission tomography after paroxetine treatment of major depression. American Journal of Psychiatry. 158 (6), 899-905 (2001).
- Brown, E. C., Clark, D. L., Forkert, N. D., Molnar, C. P., Kiss, Z. H. T., Ramasubbu, R. Metabolic activity in subcallosal cingulate predicts response to deep brain stimulation for depression. Neuropsychopharmacology. 45, 1681-1688 (2020).
- Klooster, D. C. W., et al. Technical aspects of neurostimulation: Focus on equipment, electric field modeling, and stimulation protocols. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 65, 113-141 (2016).
- Kasoff, W., Gross, R. E. Deep brain stimulation: Introduction and Technical Aspects. Neuromodulation in Psychiatry. , 245-275 (2016).
- Perez-Caballero, L., et al. Early responses to deep brain stimulation in depression are modulated by anti-inflammatory drugs. Molecular Psychiatry. 19, 607-614 (2014).
- Solera Ruiz, I., UñaOrejón, R., Valero, I., Laroche, F. Craniotomy in the conscious patient. Considerations in special situations. Spanish Journal of Anesthesiology and Resuscitation. 60 (7), 392-398 (2013).
- Casali, M., et al. State of the art of 18F-FDG PET/CT application in inflammation and infection: a guide for image acquisition and interpretation. Clinical and Translational Imaging. 9 (4), 299-339 (2021).
- Gonzalez-Escamilla, G., Muthuraman, M., Ciolac, D., Coenen, V. A., Schnitzler, A., Groppa, S. Neuroimaging and electrophysiology meet invasive neurostimulation for causal interrogations and modulations of brain states. NeuroImage. 220, 117144 (2020).
