생체 내 쥐의 심부 뇌 자극에 의해 유도 된 활동 패턴을 밝히기위한 양전자 방출 단층 촬영
Summary
우리는 생체 내 FDG-PET를 이용한 급성 심부 뇌 자극에 의해 유도 된 대사 신경 조절을 평가하는 전임상 실험 방법을 설명합니다. 이 원고에는 정위 수술에서 자극 치료의 적용, PET 이미지의 획득, 처리 및 분석에 이르기까지 모든 실험 단계가 포함되어 있습니다.
Abstract
심부 뇌 자극 (DBS)은 환자의 병태 생리학에 관여하는 뇌 구조에 전기 펄스를 적용하는 것을 기반으로하는 침습적 신경 외과 기술입니다. DBS의 오랜 역사에도 불구하고 그 작용 메커니즘과 적절한 프로토콜은 불분명하여 이러한 수수께끼를 해결하기위한 연구의 필요성을 강조합니다. 이러한 의미에서 기능적 이미징 기술을 사용하여 DBS의 생체 내 효과를 평가하는 것은 자극이 뇌 역학에 미치는 영향을 결정하는 강력한 전략을 나타냅니다. 여기에서는 뇌 대사에 대한 DBS의 급성 결과를 평가하기 위해 종단 연구 [18F]-플루오로 데 옥시 클루 코스 양전자 방출 단층 촬영 (FDG-PET)과 결합 된 전임상 모델 (Wistar rats)에 대한 실험 프로토콜이 설명됩니다. 첫째, 동물들은 전두엽 피질에 전극을 양측 이식하기 위해 정위 수술을 받았다. 전극 배치를 확인하기 위해 각 동물의 수술 후 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 스캔을 획득했습니다. 회복 1주일 후, 자극 없이 각각의 조작된 동물의 제1 정적 FDG-PET를 획득하고(D1), 이틀 후(D2), 동물을 자극하는 동안 제2 FDG-PET를 획득하였다. 이를 위해 전극은 FDG를 동물에게 투여 한 후 분리 된 자극기에 연결되었습니다. 따라서, FDG 흡수 기간 (45 분) 동안 동물을 자극하여 뇌 대사에 대한 DBS의 급성 효과를 기록했다. 이 연구의 탐색적 특성을 감안할 때, FDG-PET 이미지는 D1과 D2 연구 사이의 쌍을 이루는 T-검정을 기반으로 한 복셀-현명한 접근 방식으로 분석되었습니다. 전반적으로 DBS와 영상 연구의 결합을 통해 신경망에 대한 신경 조절 결과를 설명할 수 있어 궁극적으로 DBS를 둘러싼 수수께끼를 푸는 데 도움이 됩니다.
Introduction
신경 자극이라는 용어는 치료 목표1로 신경계를 자극하기위한 다양한 기술을 포함합니다. 그 중 심뇌 자극 (DBS)은 임상 실습에서 가장 널리 퍼진 신경 자극 전략 중 하나입니다. DBS는 정위 수술에 의해 조절되는 뇌 표적에 배치 된 전극을 통해 환자의 신체에 직접 이식 된 신경 자극기에 의해 전달되는 전기 펄스로 심부 뇌 핵의 자극으로 구성됩니다. 다양한 신경 및 정신 장애에서 DBS 적용의 타당성을 평가하는 논문의 수는 지속적으로 증가하고 있습니다.2 그 중 일부만이 식품의약국(FDA)의 승인을 받았습니다(즉, 본태성 진전, 파킨슨병, 근긴장이상, 강박 장애 및 의학적으로 불응성 간질)3 . 또한, 공식적으로 승인 된 것보다 더 많은 병리의 DBS 치료를 위해 많은 뇌 표적과 자극 프로토콜이 연구 중이지만 그 중 어느 것도 결정적인 것으로 간주되지 않습니다. DBS 연구 및 임상 절차의 이러한 불일치는 부분적으로 작용 메커니즘에 대한 완전한 이해 부족 때문일 수 있습니다4. 따라서 DBS가 뇌 역학에 미치는 생체 내 효과를 해독하기 위해 엄청난 노력을 기울이고 있으며, 모든 발전은 아무리 작더라도 DBS 프로토콜을 개선하여 더 큰 치료 성공을 거둘 수 있도록 도와줍니다.
이러한 맥락에서 분자 이미징 기술은 DBS의 생체 내 신경 조절 효과를 관찰할 수 있는 직접적인 창을 엽니다. 이러한 접근법은 DBS가 적용되는 동안 DBS의 영향을 결정할 뿐만 아니라 그 결과의 본질을 밝히고, 원치 않는 부작용 및 임상적 개선을 예방하고, 자극 매개변수를환자의 필요에 맞게 조정할 수 있는 기회를 제공합니다5. 이들 방법들 중에서, 2-데옥시-2-[18F]플루오로-D-글루코오스 (FDG)를 사용하는 양전자 방출 단층촬영(PET)은 상이한뇌 영역(6)의 활성화 상태에 대한 특정 및 실시간 정보를 제공하기 때문에 특히 흥미롭다. 구체적으로, FDG-PET 영상화는 뉴런과 신경교 세포 사이의 대사 결합의 생리학적 원리에 기초한 신경 활성화의 간접적인 평가를 제공한다6. 이러한 의미에서 여러 임상 연구에서 FDG-PET를 사용하여 DBS 조절 뇌 활동 패턴을보고했습니다 (검토를 위해3 참조). 그럼에도 불구하고 임상 연구는 이질성 또는 모집 어려움과 같은 환자에게 초점을 맞출 때 연구 잠재력을 크게 제한하는 몇 가지 단점을 쉽게 발생시킵니다6. 이러한 맥락에서 연구자들은 인간 상태의 동물 모델을 사용하여 임상 번역 전에 생물 의학적 접근법을 평가하거나 이미 임상 실습에 적용된 경우 치료 이점 또는 부작용의 생리적 기원을 설명하게됩니다. 따라서 인간 병리학과 실험실 동물의 모델링 된 조건 사이의 먼 거리에도 불구하고 이러한 전임상 접근법은 임상 실습으로의 안전하고 효과적인 전환에 필수적입니다.
이 원고는 뇌 대사에 대한 DBS의 급성 결과를 평가하기 위해 종단 FDG-PET 연구와 결합 된 쥐 모델에 대한 실험적 DBS 프로토콜을 설명합니다. 이 프로토콜로 얻은 결과는 DBS에 의해 뇌 활동에 유도 된 복잡한 조절 패턴을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 따라서, 생체 내에서 자극의 결과를 조사하기 위한 적절한 실험 전략이 제공되어, 임상의가 특정 상황에서 치료 효과를 예상한 다음 자극 파라미터를 환자의 필요에 맞게 조정할 수 있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
신경 정신 장애의 병태 생리학에 관여하는 뇌 기능 및 신경망에 대한 이해의 발전을 감안할 때, 점점 더 많은 연구가 광범위한 신경 기반 병리학에서 DBS의 잠재력을 인식하고 있습니다2. 그러나이 요법의 작용 메커니즘은 불분명합니다. 특정 병리학 및 자극 상황에서 얻은 효과를 설명하기 위해 여러 이론이 시도되었지만 제안 된 연구의 이질성으로 인해 결정적인 결론에 도달하…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
여기에 설명된 방법론의 최적화에 귀중한 지원을 해주신 Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco 및 Yolanda Sierra 교수에게 감사드립니다. MLS는 유럽 지역 개발 기금 (ERDF)이 공동 자금을 지원하는 살루드 카를로스 III 연구소 (프로젝트 번호 PI17/01766 및 보조금 번호 BA21/0030)의 지원을 받았습니다. 시버 삼 (프로젝트 번호 CB07 / 09 / 0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (프로젝트 번호 2017/085); 마프레 재단; 그리고 Fundación Alicia Koplowitz. MCV는이 기관의 장학금 보유자 인 Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno와 EU 공동 프로그램-신경 퇴행성 질환 연구 (JPND)의 지원을 받았습니다. DRM은 Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid가 지원했으며, 유럽 사회 기금 “미래에 투자”(보조금 번호 PEJD-2018-PRE/BMD-7899)가 공동 자금을 지원했습니다. NLR은 Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019″의 지원을 받았습니다. MD 작업은 MCIN(Ministerio de Ciencia e Innovación)과 ISCIII(Instituto de Salud Carlos III)(PT20/00044)의 지원을 받았습니다. CNIC는 Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) 및 Pro CNIC Foundation의 지원을 받고 있으며 Severo Ochoa Center of Excellence (SEV-2015-0505)입니다.
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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