生体内 ラットの脳深部刺激による活動パターンを明らかにする陽電子放出断層撮影法
Summary
in vivo FDG-PETによる急性脳深部刺激療法により誘導される代謝性神経調節を評価するための前臨床実験法について述べる。この原稿には、定位固定装置手術から刺激治療の適用、PET画像の取得、処理、分析まで、すべての実験ステップが含まれています。
Abstract
脳深部刺激療法(DBS)は、患者の病態生理に関与する脳構造への電気パルスの適用に基づく侵襲的な脳神経外科技術です。DBSの長い歴史にもかかわらず、その作用機序と適切なプロトコルは依然として不明であり、これらの謎を解くことを目的とした研究の必要性が浮き彫りになっています。この意味で、機能イメージング技術を使用してDBSの in vivo 効果を評価することは、脳のダイナミクスに対する刺激の影響を決定するための強力な戦略を表しています。ここでは、前臨床モデル(Wistarラット)の実験プロトコルを、縦断的研究[18F]−フルオロデオキシクルコース陽電子放出断層撮影法(FDG-PET)と組み合わせて、脳代謝に対するDBSの急性結果を評価することが記載されている。まず、動物は前頭前野への電極の両側移植のための定位手術を受けた。電極の配置を確認するために、各動物の術後のコンピューター断層撮影(CT)スキャンを取得しました。回復の1週間後、刺激なしで操作された各動物の第1の静的FDG−PETを獲得し(D1)、そして2日後(D2)、動物が刺激されている間に第2のFDG−PETを獲得した。そのために、電極を、FDGを動物に投与した後に単離された刺激装置に接続した。したがって、FDG取り込み期間(45分)の間に動物を刺激し、脳代謝に対するDBSの急性効果を記録した。この研究の探索的性質を考慮して、FDG-PET画像は、D1研究とD2研究の間の対応のあるT検定に基づくボクセル単位のアプローチによって分析されました。全体として、DBSとイメージング研究の組み合わせにより、ニューラルネットワークに対する神経調節の結果を記述することができ、最終的にはDBSを取り巻く難問を解明するのに役立ちます。
Introduction
神経刺激という用語は、治療目的1で神経系を刺激することを目的とした多くの異なる技術を包含する。その中で、脳深部刺激療法(DBS)は、臨床診療で最も普及している神経刺激戦略の1つとして際立っています。DBSは、定位手術によって調節される脳標的に配置された電極を介して、神経刺激装置によって送達される電気パルスによる脳深部核の刺激で構成され、患者の体内に直接埋め込まれます。さまざまな神経疾患および精神疾患におけるDBSの適用可能性を評価する論文の数は継続的に増加していますが2、食品医薬品協会(FDA)によって承認された論文はそのうちのいくつかのみです(すなわち、本態性振戦、パーキンソン病、ジストニア、強迫性障害、および医学的に難治性てんかん)3.さらに、公式に承認されたよりもはるかに多くの病状のDBS治療のために、多数の脳標的と刺激プロトコルが研究されていますが、それらのどれも決定的とは見なされていません。DBSの研究と臨床手順におけるこれらの不一致は、その作用機序の完全な理解の欠如に一部起因している可能性があります4。したがって、脳のダイナミクスに対するDBSの in vivo 効果を解読するために多大な努力が払われており、進歩するたびに、たとえ小さくても、より大きな治療の成功のためにDBSプロトコルを改良するのに役立ちます。
これに関連して、分子イメージング技術は、DBSの in vivo 神経調節効果を観察するための直接的な窓を開きます。これらのアプローチは、DBSの適用中にDBSの影響を判断するだけでなく、その結果の性質を解明し、望ましくない副作用や臨床的改善を防ぎ、さらには刺激パラメータを患者のニーズに適応させる機会を提供します5。これらの方法の中で、2−デオキシ−2−[18F]フルオロ−D−グルコース(FDG)を用いた陽電子放出断層撮影(PET)は、異なる脳領域の活性化状態に関する特異的かつリアルタイムの情報を提供するため、特に興味深い6。具体的には、FDG-PETイメージングは、ニューロンとグリア細胞との間の代謝結合の生理学的原理に基づく神経活性化の間接的な評価を提供する6。この意味で、いくつかの臨床研究では、FDG-PETを使用したDBS変調脳活動パターンが報告されています(レビューについては3 を参照)。それにもかかわらず、臨床研究は、異質性や募集の難しさなど、患者に焦点を当てるといくつかの欠点を簡単に被り、研究の可能性を強く制限します6。この文脈により、研究者は人間の状態の動物モデルを使用して、臨床翻訳の前に生物医学的アプローチを評価したり、臨床診療にすでに適用されている場合は、治療上の利点または副作用の生理学的起源を説明したりします。したがって、人間の病理と実験動物のモデル化された状態との間に大きな距離があるにもかかわらず、これらの前臨床アプローチは、臨床診療への安全で効果的な移行に不可欠です。
この原稿では、脳代謝に対するDBSの急性の影響を評価するために、マウスモデルの実験的DBSプロトコルと縦断的なFDG-PET研究を組み合わせて説明しています。このプロトコルで得られた結果は、DBSによって脳活動に誘発される複雑な調節パターンを解明するのに役立つ可能性があります。したがって、刺激の結果を調べるための適切な実験戦略が提供され、臨床医は特定の状況下での治療効果を予測し、刺激パラメータを患者のニーズに適応させることができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
精神神経疾患の病態生理に関わる脳機能や神経回路網の理解が進むにつれ、神経学的に幅広い病態におけるDBSの可能性を認識する研究が増えています2。しかし、この治療法の作用機序は不明のままです。いくつかの理論は、特定の病理学的および刺激的状況で得られた効果を説明しようとしましたが、提案された研究の異質性により、決定的な結論に達することは非常に困…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
クリスティン・ウィンター教授、ジュリア・クライン教授、アレクサンドラ・デ・フランシスコ教授、ヨランダ・シエラ教授には、ここで説明する方法論の最適化における貴重な支援に感謝します。MLSは、欧州地域開発基金(ERDF)が共同出資したサルドカルロス3世研究所(プロジェクト番号PI17/01766および助成金番号BA21/0030)の支援を受けました。シベルサム(プロジェクト番号CB07 / 09/0031);Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (プロジェクト番号 2017/085);Fundación Mapfre;とファンダシオンアリシアコプロウィッツ。 MCVは、この機関の奨学金保有者としてタチアナ・ペレス・デ・グスマン・エル・ブエノ財団と、EU共同プログラム-神経変性疾患研究(JPND)の支援を受けました。DRMは、欧州社会基金「あなたの未来への投資」(助成金番号PEJD-2018-PRE/BMD-7899)が共同出資した、マドリード市教育委員会の支援を受けました。NLRは、Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019″の支援を受けました。MDの作業は、Ministerio de Ciencia e Innovación(MCIN)およびInstituto de Salud Carlos III(ISCIII)(PT20/00044)によってサポートされました。CNICは、Instituto de Salud Carlos III(ISCIII)、Ministerio de Ciencia e Innovación(MCIN)、およびPro CNIC財団によってサポートされており、Severo Ochoa Center of Excellence(SEV-2015-0505)です。
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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