Analyse der 18FDG PET/CT Imaging als Werkzeug für Studium Mycobacterium-Tuberkulose -Infektion und Behandlung bei nicht-menschlichen Primaten
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Analyse der 18F-FDG-PET/CT-Bildgebung bei nichtmenschlichen Primaten zu beschreiben, die mit Mycobacterium Tuberculosis , Krankheitsverlauf, medikamentöse Behandlung und Krankheit Reaktivierung zu studieren infiziert wurden.
Abstract
Mycobacterium Tuberculosis bleibt die Nummer eins infektiösen Agens in der Welt heute. Mit dem Aufkommen der Antibiotika-resistente Stämme sind neue klinisch relevante Methoden benötigt, die den Krankheitsprozess und Bildschirm für potenzielle Antibiotikum und Impfstoff Behandlungen auswerten. Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie-Tomographie (PET/CT) hat als ein wertvolles Instrument für die Untersuchung einer Reihe von Leiden wie Krebs, Alzheimer-Krankheit und Entzündung/Infektion etabliert. Hier sind eine Reihe von Strategien, die auszuwertende PET/CT Bilder in Cynomolgus Makaken, die intrabronchially mit niedrigen Dosen von M. Tuberculosisinfiziert sind angestellt gewesen sein. Durch Beurteilung der Größe der Läsion auf CT und Aufnahme von 18F-Desoxyglukose (FDG) in Läsionen und Lymphknoten in PET-Bildern, diese beschriebenen Methoden zeigen, dass PET/CT-Bildgebung zukünftige Entwicklung aktiv gegen latente Krankheit vorhersagen kann und die Neigung zur Reaktivierung von einem latenten Zustand der Infektion. Darüber hinaus bestimmen diese Methoden durch die Analyse des Gesamtniveaus der Lungenentzündung, antibiotische Wirksamkeit von Medikamenten gegen Mycobacterium Tuberculosis in der klinisch relevanten bestehenden Tiermodell. Diese Bildanalyseverfahren sind einige der mächtigsten Werkzeuge im Arsenal gegen diese Krankheit, wie nicht nur können sie eine Reihe von Merkmalen der Infektion und medikamentöse Behandlung zu bewerten, sondern sie auch direkt übersetzbar in einem klinischen Umfeld für den Einsatz in der Human-sind Studien.
Introduction
Mycobacterium Tuberculosis hat Menschen seit Jahrtausenden geplagt und verursacht mehr Sterblichkeit als jede andere einzelne Erreger in der Welt heute. Im Jahr 2015 wurden weltweit 10,5 Millionen neue Fälle von Tuberkulose (TB)1 mit der Mehrzahl der Fälle, die aus Indien, Indonesien, China, Nigeria, Pakistan und Südafrika. Schätzungen zufolge die weltweite Zahl der Todesopfer von TB auf 1,4 Millionen Menschen im gleichen Zeitraum. Dieser Wert ist fast 25 % niedriger als die Sterberate vor 100 Jahren. Obwohl Medikament empfindlich TB behandelbar ist, die Therapie ist langwierig, erfordern mehrere Medikamente und Compliance ist ein Anliegen. Die Entstehung von Multi-resistente (MDR) Stämme entfielen ~ 580.000 der TB-Neuerkrankungen im Jahr 2015. Die erfolgreiche Behandlung bei Patienten mit MDR-Stämmen von Mycobacterium Tuberculosis ist nur bei etwa 50 % geschätzt. Noch alarmierender ist die Entstehung von ausgiebig (XDR) Resistenzen von M. Tuberculosis, die gegen fast alle verfügbaren Medikament resistent sind. Daher sind neue Techniken erforderlich, innerhalb der TB-Forschungsfeld, die die Fähigkeit zur diagnose von TB zu verbessern, erhöhen die immunologische Verständnis des Krankheitsverlaufs und lassen für das Screening von neuen Behandlungsmethoden und Präventionsstrategien einschließlich Antibiotika Therapien und Impfstoff Wirksamkeitsstudien.
M. Tuberculosis ist ein aerober säurefeste Bazillus, die physisch sich durch seine sehr komplexe äußere Zellwand und langsames Wachstum Kinetik zeichnet. Die Infektion erfolgt in der Regel durch Einatmen von einzelnen Bakterien in Aerosol Tröpfchen, die beim Husten, Niesen oder Gesang von einer symptomatischen, infizierte Person verwiesen werden. Der exponierten Individuen, die Infektion zu entwickeln, entwickeln nur 5-10 % der Menschen aktiven klinische TB. Die restliche 90 % haben ein unterschiedlicher Spektrum von asymptomatischen Infektionen, die reicht von subklinische Infektion, keine Krankheit, die klinisch als latente TB-Infektion (LTBI)2,3eingestuft ist. Der Bevölkerung, die diese asymptomatische Infektion hat, werden etwa 10 % aktiven TB durch Reaktivierung der enthaltenen Infektion im Laufe ihres Lebens entwickeln. Das Risiko einer Reaktivierung drastisch erhöht, wenn eine Person mit asymptomatische Infektion Verträge HIV oder erfährt Behandlung mit eine immunsuppressive Medikament, z. B. TNF-Hemmer4,5,6. Aktive TB-Erkrankung stellt auch als ein Spektrum mit den meisten Menschen, die Lungentuberkulose, die die Lungen und thorakalen Lymphknoten betrifft. M. Tuberculosis kann jedoch jedes Organ infizieren, damit die Infektion auch in der Beteiligung extrapulmonaler Websites präsentieren kann.
Die pathologische Markenzeichen von M. Tuberkulose -Infektion ist eine organisierte kugelförmige Struktur von Wirtszellen, die Granulom bezeichnet. Makrophagen, T-Zellen und B-Zellen sind wesentliche Bestandteile der Granulom, mit einer variablen Anzahl von Neutrophilen7. Das Zentrum der Granulom ist oft nekrotisch. So funktionieren Granulome als eine immun Mikroumgebung zu töten oder enthalten die Bazillen, Verbreitung auf andere Teile der Lunge zu verhindern. M. Tuberculosis können jedoch töten untergraben, indem das Granulom und innerhalb dieser Strukturen für Jahrzehnte andauern. Konsequente und regelmäßige Überwachung für die Entwicklung von aktiver TB-Erkrankung nach neuen Infektion oder Reaktivierung der LTBI ist unpraktisch, wissenschaftlich schwierig und zeitraubend. Techniken, die diese Prozesse längs, in Menschen und menschenähnlichen Tiermodellen, sind äußerst nützlich für die wissenschaftliche Gemeinschaft fördern das Verständnis der vielen komplexen M. Tuberkulose -Infektion und Krankheit zu studieren.
PET/CT ist ein äußerst nützliches bildgebendes Verfahren, das eine breite Palette von Krankheitszuständen bei Mensch und Tier-Modelle8Studium beschäftigt war. PET ist eine funktionale Technik, die Positronen emittierenden radioaktive Substanzen als Reporter verwendet. Diese Radioisotope sind in der Regel funktionalisiert, um eine metabolische Verbindung, z. B. Glukose, oder eine Ausrichtungsgruppe, die entworfen ist, um Bindung an einen Rezeptor von Interesse. Da die Strahlung, die aus PET Isotope mächtig genug, um Gewebe zu durchdringen ist, können sehr geringe Konzentrationen eingesetzt werden ermöglicht eine Studie unter Sättigungsgrad in Rezeptor-targeting Verbindungen und bei einer niedrig genug Konzentration, haben keinen Einfluss auf Stoffwechsel Prozesse bei der Verwendung der Mittel wie 2-Deoxy – 2-(18F) Fluoro-D-Glucose (FDG). CT ist eine dreidimensionale Röntgenaufnahme bildgebendes Verfahren, mit denen unterschiedliche Ebenen von x-ray Dämpfung um physikalische Eigenschaften der Organe im Körper9zu identifizieren. Wenn gepaart mit PET, CT als Map dient bestimmen bestimmte Orte und Strukturen, die Aufnahme von einem PET Radiotracer zeigen. PET/CT ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die in-Vivo Bildgebung von Mensch und Tiermodellen mit M. Tuberkulose -Infektion, die zu viele wichtige Erkenntnisse zur Pathogenese, Reaktion auf medikamentöse Behandlung, Erkrankung Spektrum führte infiziert etc.6 ,10,11,12. Diese Arbeit beschreibt spezifische PET/CT analytische Methoden zur nichtmenschlichen Primaten Modelle längs mit Parametern wie Granulom Größe, FDG Aufnahme in einzelne Läsionen, ganze Lunge und Lymphknoten FDG Gier und Erkennung von extrapulmonalen TB studieren Krankheit,6,10,11,12.
Dieses Manuskript beschreibt Methoden der bildgebenden Analyse bei nichtmenschlichen Primaten (NHP), speziell Cynomolgus Makaken, die verwendet werden, um das Fortschreiten der Erkrankung und medikamentöse Behandlung nach Infektion mit M. Tuberculosis längs zu bewerten . NHP sind eine wertvolle Tiermodell, denn wenn mit einer niedrigen Dosis von M. Tuberculosis Erdman Stamm geimpft, Tiere eine Vielzahl von Krankheitsverläufe mit ~ 50 zeigen % Entwicklung aktiver TB und die verbleibenden Tiere asymptomatische Infektion (d.h. Kontrolle der Infektion, LTBI), bietet das nächste Modell der klinischen Erkrankung Spektrum in Menschen3,13,14,15,16gesehen. Reaktivierung der LTBI in Makaken wird von den gleichen Agenten ausgelöst, die Reaktivierung beim Menschen für das Beispiele Human Immunodeficiency Virus (HIV verursachen, mit simian Immunodeficiencyvirus (SIV) als die Makaken-Version von HIV), CD4 Erschöpfung oder tumor Nekrose-Faktor (TNF) Neutralisation13,16. Darüber hinaus präsentieren Makaken mit Pathologie, die ist sehr ähnlich dem in Menschen, einschließlich der organisierten Granulome, die bilden in Lunge oder anderen Organen17gesehen. Dieses Modell hat so wichtige Einblicke in die grundlegenden Wirt-Pathogen Interaktionen in M. Tuberkulose -Infektion sowie wertvolle Erkenntnisse über Drogen-Therapien und Impfstoffe gegen Tuberkulose14,18 versehen. , 19 , 20 , 21.
PET/CT-Bildgebung bietet die Möglichkeit, die Darstellung, Verteilung und Fortschreiten der einzelnen Granulome folgen. Diese Arbeit hat in erster Linie FDG als Sonde, die als ein Glukose-Analogon in stoffwechselaktiven Wirtszellen, z. B. Makrophagen, neutrophilen Granulozyten und Lymphozyten8, umfasst alle in Granulome sind verwendet. FDG ist somit ein Proxy für Host Entzündung. Die detaillierte Analyseverfahren hierin verwendet OsiriX, einen weit verbreiteten DICOM Viewer für Kauf und Nutzung zur Verfügung. Die Bild-Analyse-Methoden beschrieben Form, Größe und Stoffwechselaktivität (über FDG Aufnahme) der einzelnen Granulome im Laufe der Zeit zu verfolgen und verwendet Bildgebung als Karte zur Identifizierung von spezifischen Läsionen auf tierische Autopsie. Darüber hinaus wurde eine separate Methode entwickelt, die die Summierung der FDG-Aufnahme in der Lunge ab einem bestimmten Schwellenwert (SUV ≥ 2,3) quantifiziert und verwendet diesen Wert, um Unterschiede zwischen Steuerung und experimentellen Gruppen in den Studien von Impfstoff bis hin zu bewerten Studien-Co-Infektion-Modelle. Diese Daten unterstützen, die diese allgemeine Maßnahme der FDG-Aufnahme in der Lunge mit bakteriellen Belastung, wodurch es Informationen über den Status der Erkrankung korreliert. Ähnliche Untersuchungen können auf die FDG-Aufnahme der thorakalen Lymphknoten, Fortschreiten der Erkrankung sowie zu studieren durchgeführt werden. Das folgende Protokoll beschreibt den experimentellen Prozess aus tierischen Infektion durch Bildanalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Daten, die aus PET/CT als Surrogat Messungen für viele Aspekte der M. Tuberkulose -Infektion einsetzbar, die beobachtbaren ohne diese Technik wäre. PET/CT ist sehr viel empfindlicher als Röntgentechnik, die oft in Makaken Studien verwendet wird. PET/CT informiert strukturelle, räumliche und funktionelle. Die oben beschriebenen Analysen haben viele praktische Anwendungen wie Krankheitsprogression Überwachung, Bewertung der Wirksamkeit der medikamentösen Behandlung, und Risikofaktoren für Reaktivierung<sup …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Mark Rodgers zum gliedern die Infektion Verfahren und L. Eoin Carney und Brian Lopresti zur Orientierung bei der Festlegung dieser bildgebenden Verfahren anzuerkennen. Diese Arbeit hat von der Bill & Melinda Gates Foundation (J.L.F., P.L.L), National Institutes of Health, National Institute of Allergy und ansteckende Krankheiten R01 AI111871 (P.L.L), nationales Herz-Lungen und Blut-Institut R01 HL106804 (J finanziert wurde . 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 |
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