Im lebenden Organismus Positronen-Emissions-Tomographie zur Aufdeckung von Aktivitätsmustern, die durch tiefe Hirnstimulation bei Ratten induziert werden

Summary

Wir beschreiben eine präklinische experimentelle Methode zur Bewertung der metabolischen Neuromodulation, die durch akute Tiefe Hirnstimulation mit in vivo FDG-PET induziert wird. Dieses Manuskript umfasst alle experimentellen Schritte, von der stereotaktischen Chirurgie über die Anwendung der Stimulationsbehandlung bis hin zur Aufnahme, Verarbeitung und Analyse von PET-Bildern.

Abstract

Die Tiefenhirnstimulation (THS) ist eine invasive neurochirurgische Technik, die auf der Anwendung elektrischer Impulse auf Gehirnstrukturen basiert, die an der Pathophysiologie des Patienten beteiligt sind. Trotz der langen Geschichte der THS bleiben ihr Wirkmechanismus und die entsprechenden Protokolle unklar, was die Notwendigkeit von Forschung unterstreicht, um diese Rätsel zu lösen. In diesem Sinne stellt die Bewertung der In-vivo-Effekte von THS mit funktionellen Bildgebungsverfahren eine leistungsfähige Strategie dar, um den Einfluss der Stimulation auf die Gehirndynamik zu bestimmen. Hier wird ein experimentelles Protokoll für präklinische Modelle (Wistar-Ratten) in Kombination mit einer Längsschnittstudie [¹⁸F]-Fluordesoxyclucose-Positronen-Emissions-Tomographie (FDG-PET) beschrieben, um die akuten Folgen von THS auf den Hirnstoffwechsel zu beurteilen. Zunächst wurden die Tiere stereotaktisch operiert, um Elektroden bilateral in den präfrontalen Kortex zu implantieren. Ein postoperativer Computertomograph (CT) jedes Tieres wurde erstellt, um die Elektrodenplatzierung zu überprüfen. Nach einer Woche der Erholung wurde von jedem operierten Tier ein erstes statisches FDG-PET ohne Stimulation (D1) und zwei Tage später (D2) ein zweites FDG-PET erworben, während die Tiere stimuliert wurden. Dazu wurden die Elektroden nach der Verabreichung von FDG an die Tiere mit einem isolierten Stimulator verbunden. So wurden die Tiere während der FDG-Aufnahmephase (45 min) stimuliert und die akuten Auswirkungen von THS auf den Gehirnstoffwechsel aufgezeichnet. Angesichts des explorativen Charakters dieser Studie wurden FDG-PET-Bilder durch einen voxelweisen Ansatz analysiert, der auf einem gepaarten T-Test zwischen D1- und D2-Studien basiert. Insgesamt ermöglicht die Kombination von THS- und Bildgebungsstudien die Beschreibung der Neuromodulationsfolgen auf neuronale Netze, was letztendlich dazu beiträgt, die Rätsel rund um THS zu lösen.

Introduction

Der Begriff Neurostimulation umfasst eine Reihe verschiedener Techniken, die darauf abzielen, das Nervensystem mit einem therapeutischen Ziel¹ zu stimulieren. Unter ihnen sticht die Tiefe Hirnstimulation (THS) als eine der am weitesten verbreiteten Neurostimulationsstrategien in der klinischen Praxis hervor. THS besteht aus der Stimulation tiefer Hirnkerne mit elektrischen Impulsen, die von einem Neurostimulator abgegeben werden, der direkt in den Körper des Patienten implantiert wird, durch Elektroden, die in das Gehirnziel platziert werden, um durch stereotaktische Chirurgie moduliert zu werden. Die Anzahl der Artikel, die die Durchführbarkeit der DBS-Anwendung bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen bewerten, wächst kontinuierlich2, obwohl nur einige von ihnen von der Food and Drug Association (FDA) zugelassen wurden (d. h. essentieller Tremor, Parkinson-Krankheit^, Dystonie, Zwangsstörung und medizinisch refraktäre Epilepsie)³ . Darüber hinaus wird eine große Anzahl von Gehirnzielen und Stimulationsprotokollen für die THS-Behandlung von viel mehr Pathologien als offiziell genehmigt erforscht, aber keiner von ihnen gilt als endgültig. Diese Inkonsistenzen in der THS-Forschung und den klinischen Verfahren können zum Teil auf ein mangelndes vollständiges Verständnis ihres Wirkmechanismus zurückzuführen^{sein 4}. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die In-vivo-Effekte von THS auf die Gehirndynamik zu entschlüsseln, da jeder Fortschritt, wie klein er auch sein mag, dazu beitragen wird, DBS-Protokolle für einen größeren therapeutischen Erfolg zu verfeinern.

In diesem Zusammenhang öffnen molekulare bildgebende Verfahren ein direktes Fenster, um in vivo neuromodulatorische Effekte von THS zu beobachten. Diese Ansätze bieten die Möglichkeit, nicht nur die Auswirkungen der THS während der Anwendung zu bestimmen, sondern auch die Art ihrer Folgen zu entschlüsseln, unerwünschte Nebenwirkungen und klinische Verbesserungen zu verhindern und sogar die Stimulationsparameter an die Bedürfnisse des Patienten anzupassen⁵. Unter diesen Methoden ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) mit 2-Desoxy-2-[¹⁸F]fluor-D-Glucose (FDG) von besonderem Interesse, da sie spezifische Echtzeitinformationen über den Aktivierungszustand verschiedener Hirnregionen liefert⁶. Insbesondere bietet die FDG-PET-Bildgebung eine indirekte Bewertung der neuronalen Aktivierung basierend auf dem physiologischen Prinzip der metabolischen Kopplung zwischen Neuronen und Gliazellen⁶. In diesem Sinne haben mehrere klinische Studien DBS-modulierte Gehirnaktivitätsmuster unter Verwendung von FDG-PET berichtet (siehe³ für die Übersicht). Dennoch haben klinische Studien leicht einige Nachteile, wenn sie sich auf Patienten konzentrieren, wie Heterogenität oder Rekrutierungsschwierigkeiten, die ihr Forschungspotenzial stark einschränken⁶. Dieser Kontext führt dazu, dass Forscher Tiermodelle menschlicher Erkrankungen verwenden, um biomedizinische Ansätze vor ihrer klinischen Translation zu bewerten oder, wenn sie bereits in der klinischen Praxis angewendet werden, den physiologischen Ursprung therapeutischer Vorteile oder Nebenwirkungen zu erklären. Trotz der großen Distanzen zwischen der menschlichen Pathologie und dem modellierten Zustand bei Labortieren sind diese präklinischen Ansätze für einen sicheren und effektiven Übergang in die klinische Praxis unerlässlich.

Dieses Manuskript beschreibt ein experimentelles DBS-Protokoll für murine Modelle, kombiniert mit einer longitudinalen FDG-PET-Studie, um die akuten Folgen von THS auf den Gehirnstoffwechsel abzuschätzen. Die mit diesem Protokoll erzielten Ergebnisse können dazu beitragen, die komplizierten modulatorischen Muster zu entschlüsseln, die durch THS auf die Gehirnaktivität induziert werden. Daher wird eine geeignete experimentelle Strategie zur Untersuchung der Konsequenzen der Stimulation in vivo bereitgestellt, die es Klinikern ermöglicht, therapeutische Effekte unter bestimmten Umständen zu antizipieren und dann die Stimulationsparameter an die Bedürfnisse des Patienten anzupassen.

Protocol

Versuchstierversuche wurden gemäß der Richtlinie 2010/63/EU des Rates der Europäischen Gemeinschaften durchgeführt und von der Ethikkommission für Tierversuche des Krankenhauses Gregorio Marañón genehmigt. Eine grafische Zusammenfassung des Versuchsprotokolls ist in Abbildung 1A dargestellt. 1. Lokalisierung des Gehirnziels durch in vivo Neuroimaging TierpräparationHINWEIS: Männliche Wistar-Ratten von ~ 300 g wurden verwende…

Representative Results

Die Tiere wurden am Ende der Studie oder wenn das Wohlergehen des Tieres beeinträchtigt war, mit CO2 geopfert. Ein Beispiel für eine vollständige PET/CT-Studie an einem operierten Tier ist in Abbildung 3 dargestellt. So kann die in das Rattengehirn eingeführte Elektrode in dem in Abbildung 3A gezeigten CT-Bild deutlich beobachtet werden. Diese Bildgebungsmodalität liefert gute anatomische Informationen und erleichtert die Registrierung von FDG-PE…

Discussion

Angesichts der Fortschritte im Verständnis der Gehirnfunktion und der neuronalen Netzwerke, die an der Pathophysiologie neuropsychiatrischer Erkrankungen beteiligt sind, erkennen immer mehr Forschungen das Potenzial von THS in einer Vielzahl von neurologisch basierten Pathologien². Der Wirkmechanismus dieser Therapie bleibt jedoch unklar. Mehrere Theorien haben versucht, die unter spezifischen pathologischen und stimulierenden Umständen erzielten Wirkungen zu erklären, aber die Heterogenität d…

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