ניתוח של 18FDG PET/CT הדמיה ככלי לימודי שחפת Mycobacterium זיהום וטיפול פרימטים לא אנושית
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לתיאור הניתוח של 18F-FDG PET/CT הדמיה פרימטים אנושיות אשר נדבקו מ. שחפת ללמוד תהליך המחלה, הטיפול בתרופה, מחלת הפעלה מחדש.
Abstract
שחפת mycobacterium נשאר הסוכן זיהומיות מספר אחת בעולם היום. עם הופעתה של זנים עמידים לאנטיביוטיקה, שיטות חדשות הרלוונטית קלינית נדרשים להעריך את תהליך המחלה ואת המסך פוטנציאל טיפולי לאנטיביוטיקה ואת החיסון. טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים/טומוגרפיה ממוחשבת (PET/CT) הוקם ככלי חשוב ללמוד מספר מחלות כגון סרטן, אלצהיימר, דלקת/זיהום. כאן גם מספר אסטרטגיות אשר נועדה להעריך PET/CT תמונות בקופי מקוק cynomolgus שהודבקו intrabronchially עם מינונים נמוכים של מ. שחפת. דרך הערכה של גודל הנגע על CT ספיגת של 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) נגעים ואת בלוטות הלימפה בתמונות חיית המחמד, שיטות אלה המתוארים להראות PET/CT הדמיה ניתן לחזות התפתחות עתידית של פעילים נגד מחלה סמויה ו נטייה הפעלה מחדש ממצב החבויים של זיהום. בנוסף, על ידי ניתוח הרמה הכוללת של דלקת ריאות, שיטות אלה קובעים לאנטיביוטיקה יעילות של תרופות נגד מ. שחפת במודל החייתי הרלוונטית קלינית ביותר הקיימים. אלה שיטות ניתוח התמונה הם חלק מהכלים החזקים ביותר ב ארסנל נגד המחלה הזאת לא רק יכול להעריך שהם מספר מאפיינים של זיהום וטיפול סמים, אך הם גם ישירות לתרגום להגדרה הקלינית לשימוש האדם מחקרים.
Introduction
שחפת mycobacterium עברו בני האדם במשך אלפי שנים וגורם לתמותה יותר מאשר כל סוכן זיהומיות יחיד אחר בעולם היום. בשנת 2015, היו שם דווח על 10.5 מיליון מקרים חדשים של שחפת (TB) ברחבי העולם1 עם הרוב המכריע של המקרים שמקורם הודו, אינדונזיה, סין, ניגריה, פקיסטן, דרום אפריקה. הערכות למקם הדמים העולמי של טרה-בתים ב- 1.4 מיליון בני אדם במהלך באותה התקופה. ערך זה הוא נמוך יותר מאשר שיעור התמותה כמעט 25% לפני 100 שנה. TB רגיש התרופה אמנם ניתן לטיפול, משטר ממושכות הדורשות תרופות מרובות ויש ציות היא דאגה. הופעתה של מולטי זני (MDR) עמידים לתרופות היוו ~ 580,000 מהמקרים טרה-בתים חדשים בשנת 2015. הקצב טיפול מוצלח של חולים עם זני מ. שחפת MDR מוערך רק להיות סביב 50%. עוד יותר מדאיג הוא הופעתה של זנים (XDR) עמיד בהרחבה של מ. שחפת, אשר עמידים כמעט בכל תרופה זמינה. לפיכך, נדרשים טכניקות חדשות בתחום המחקר טרה-בתים המשפרים את היכולת לאבחן טרה-בתים, להגדיל את ההבנה אימונולוגי של תהליך המחלה, ולאפשר להקרנה של טיפולים חדשניים ופעולות מניעה כולל אנטיביוטיקה משטרי ולימודי יעילות החיסון.
מ. שחפת היא חיל אירובית גופנית המאופיינת שלה מאוד מורכב שהדופן החיצונית וקינטיקה צמיחה איטית. זיהום מתרחש בדרך כלל באמצעות אינהלציה של חיידקים בודדים הכלולים טיפות aerosolized זה מגורשים מן אדם סימפטומטי, נגועים בזמן שיעול, התעטשות או לשיר. של אנשים חשופים לפתח זיהום, רק 5-10% של אנשים לפתח שחפת פעילה קליניים. 90% הנותרים יש קשת בדרגות שונות של דלקות אסימפטומטיים הנע בין זיהום תת-קליני למחלה אין בכלל, אשר כולם מסווגים קלינית שחפת סמויה זיהום (LTBI)2,3. באוכלוסייה יש זיהום תסמינים, כ- 10% יפתחו TB פעיל על-ידי הפעלה מחדש של הזיהום הכלולים ךלהמב. הסיכון של הפעלה מחדש באופן דרמטי גדלה אם אדם עם חוזים ללא תסמינים זיהום ב- HIV או טיפול עם תרופה לדיכוי המערכת החיסונית, כגון TNF מעכבי4,5,6. מחלת שחפת פעילה גם מציג כמו קשת, עם רוב האנשים יש שחפת, אשר משפיע על הריאות ועל החזה בלוטות הלימפה. עם זאת, מ. שחפת יכולה להדביק כל איבר, כך הזיהום יכול גם להציג באתרים extrapulmonary של מעורבות.
פיפטות סימן ההיכר של מ. שחפת זיהום הוא מבנה כדורית מאורגנת של התאים המארחים, שנקרא לגרגירומת. מקרופאגים, תאי T ותאי B הם המרכיבים העיקריים גרנולומה, עם מספר משתנה של נויטרופילים7. מרכז הגרגירומת לעתים קרובות עם נמק. לפיכך, גרנולומות לפעול microenvironment המערכת החיסונית כדי להרוג או להכיל את החיידקים, מניעת התפשטות לחלקים אחרים של הריאות. עם זאת, מ. שחפת יכולים לחתור תחת ההרג על ידי לגרגירומת, בתוך המבנים האלה להימשך עשרות שנים. קבועים ועקביים פיקוח על התפתחות מחלה שחפת פעילה לאחר זיהום חדש או הפעלה מחדש של LTBI הוא מעשי, מאתגר מבחינה מדעית, זמן רב. טכניקות שמתחילים ללמוד תהליכים אלה longitudinally, בני אדם, אדם כמו מודלים בעלי חיים, הם מאוד שימושי בקהילה המדעית בהבנה של המורכבות הרבה של מ. שחפת זיהומים ומחלות.
PET/CT היא טכניקת דימות מאוד שימושי, כי כבר מועסקים ללמוד מגוון רחב של מצבי מחלה בני אדם, בבעלי חיים8. חיית המחמד הוא פונקציונלי טכניקה המשתמשת חומרים רדיואקטיביים פולטי פוזיטרון ככתב. רדיואיזוטופים אלה הם בדרך כלל functionalized תרכובת המטבולית, כגון גלוקוז, או קבוצת מיקוד אשר נועד לאגד קולטן של עניין. מאז הקרינה הנפלטת מכדור איזוטופים חיית המחמד הוא חזק מספיק כדי לחדור רקמות, ריכוזים נמוכים מאוד יכולים לשמש המאפשר לימוד מתחת רמות הרוויה תרכובות פילוח קולטן ו- ריכוז נמוך מספיק כדי לא להשפיע על חילוף החומרים מעבד בעת שימוש סוכני כגון 2-deoxy – 2 – (18F) פטור-D-גלוקוז (FDG). CT היא טכניקה דימות רנטגן תלת-ממדית המשתמשת רמות משתנות של רנטגן הנחתה לזהות את המאפיינים הפיזיים של איברים בתוך הגוף9. כאשר יחד עם PET, CT משמשת כמפה כדי לקבוע מיקומים ספציפיים ועל מבנים המציגים קליטת radiotracer חיית המחמד. PET/CT הוא כלי רב עוצמה עבור ויוו הדמיה של בני אדם והן מודלים בעלי חיים נגועים זיהום מ. שחפת , כי הוביל תובנות חשובות רבות פתוגנזה, התגובה לטיפול סמים, מחלות הספקטרום, ועוד6 ,10,11,12. עבודה זו מתארת שיטות אנליטיות ספציפי של PET/CT ללמוד טרה-בתים במודלים הפרימטים אנושיות longitudinally באמצעות פרמטרים כגון גודל גרנולומה, ספיגת FDG נגעים בודדים, ובצמא FDG שלם של ריאות, לימפה, זיהוי של extrapulmonary מחלת6,10,11,12.
כתב יד זה מתאר שיטות הדמיה ניתוח אנושיות פרימטים (NHPs), במיוחד cynomolgus הברבריים, אשר משמשים כדי longitudinally להעריך את התקדמות המחלה, הטיפול בתרופה בעקבות זיהום עם מ. שחפת . NHPs הם מודל בעלי חיים בעלי ערך, כי בעת מחוסן עם מינון נמוך של מ. שחפת ארדמן זן, חיות מציגים מגוון רחב של תוצאות המחלה עם ~ 50% לפתח שחפת פעילה והחיות שנותרו לאחר זיהום תסמינים (קרי שולט הזיהום, LTBI), מתן המודל הקרוב ביותר אל הספקטרום מחלה קלינית אצל בני אדם3,13,14,15,16. הפעלה מחדש של LTBI ב קופי מקוק המופעלת על-ידי הסוכנים באותו לגרום הפעלה מחדש בבני אדם, אשר מספר דוגמאות וירוס הכשל החיסוני האנושי (HIV, באמצעות וירוס קופיים הכשל החיסוני (SIV) כגירסת מקוק של HIV), דלדול CD4 או גידול נמק פקטור (TNF) ניטרול13,16. בנוסף, קופי מקוק להציג פתולוגיה דומה מאוד כי ראיתי אצל בני אדם, כולל את גרנולומות מאורגן בצורת הריאות או איברים אחרים17. לכן, מודל זה סיפקה תובנות חשובות האינטראקציות מארח בסיסי-פתוגן מ. שחפת זיהום, כמו גם ידע בעל ערך על משטרי תרופות וחיסונים עבור שחפת14,18 , 19 , 20 , 21.
PET/CT הדמיה מספקת את היכולת לעקוב את המראה, הפצה, ואת ההתקדמות של גרנולומות בודדים. עבודה זו השתמשה בעיקר FDG כמו החללית, אשר, כמו אנלוגי גלוקוז, מובהקים סמויה פעיל התאים המארחים, כגון מקרופאגים, נויטרופילים לימפוציטים8, אשר כולם נמצאים גרנולומות. לכן, FDG הוא proxy עבור המארח דלקת. ההליכים ניתוח מפורט במסמך זה משתמש OsiriX, הצופה DICOM בשימוש נרחב זמין עבור רכישה ושימוש. ניתוח התמונה בשיטות המתוארות לאתר את הצורה, בגודל פעילות חילוף החומרים (via FDG ספיגת) של הפרט גרנולומות לאורך זמן ומשתמש הדמיה כמפה לצורך זיהוי נגעים ספציפיים על necropsy בעלי חיים. בנוסף, שיטה נפרדת פותחה מכמתת את הסיכום של FDG ספיגת בריאה מעל סף מסוים (SUV ≥ 2.3) ומשתמש ערך זה כדי להעריך את ההבדלים בין קבוצות ניסוי ובקרה על פני לימודים החל חיסון ניסויים למודלים ושיתוף הידבקות. נתונים אלו תומכים כי אמצעי זה הכולל של FDG ספיגת בריאות הוא מתואם עם נטל חיידקי, המספקות מידע אודות מצב המחלה. ניתן לבצע ניתוח דומה קליטת FDG בית החזה בלוטות לימפה ללמוד התקדמות המחלה גם כן. הפרוטוקול הבא מתאר את התהליך ניסיוני מזיהום בבעלי חיים באמצעות ניתוח תמונות.
Protocol
Representative Results
Discussion
נתונים רכשה מ- PET/CT יכול לשמש פונדקאית מדידות על היבטים רבים של זיהום מ. שחפת זה יהיה לניכוי ללא בטכנולוגיה זו. PET/CT רגיש הרבה יותר מאשר טכנולוגיית הרנטגן, אשר משמש לעתים קרובות בלימודי קופי מקוק. PET/CT מספק מידע מבניים, המרחבי פונקציונלי. הבדיקות שתוארו לעיל יש יישומים מעשיים רבים כגון פי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר מארק רוג’רס עבור חלוקה לרמות את נוהלי זיהום, ל אואן קארני, בריאן לופרסטי להדרכה בהקמת הליכים הדמיה אלה. מימון עבור עבודה זו סופק על ידי ביל ומלינדה גייטס (J.L.F., P.L.L.), מכוני הבריאות הלאומיים, מוסדות לאומיים של אלרגיה, AI111871 R01 מחלות זיהומיות (P.L.L.), לאומי לב ריאה ודם המכון R01 HL106804 (J… . 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 |
References
- Barry, C. E., et al. The spectrum of latent tuberculosis: rethinking the biology and intervention strategies. Nat Rev Microbiol. 7 (12), 845-855 (2009).
- Lin, P. L., Flynn, J. L. Understanding latent tuberculosis: a moving target. J Immunol. 185 (1), 15-22 (2010).
- Pawlowski, A., Jansson, M., Skold, M., Rottenberg, M. E., Kallenius, G. Tuberculosis and HIV co-infection. PLoS Pathog. 8 (2), e1002464 (2012).
- Keane, J. TNF-blocking agents and tuberculosis: new drugs illuminate an old topic. Rheumatology (Oxford). 44 (6), 714-720 (2005).
- Lin, P. L., et al. PET CT Identifies Reactivation Risk in Cynomolgus Macaques with Latent M. tuberculosis. PLoS Pathog. 12 (7), e1005739 (2016).
- Flynn, J. L., Klein, E., Dick, T., Leong, V. D. J. . A color atlas of comparative pulmonary tuberculosis histopathology. , 83-106 (2011).
- Signore, A., Mather, S. J., Piaggio, G., Malviya, G., Dierckx, R. A. Molecular imaging of inflammation/infection: nuclear medicine and optical imaging agents and methods. Chem Rev. 110 (5), 3112-3145 (2010).
- James, M. L., Gambhir, S. S. A molecular imaging primer: modalities, imaging agents, and applications. Physiol Rev. 92 (2), 897-965 (2012).
- Coleman, M. T., et al. PET/CT imaging reveals a therapeutic response to oxazolidinones in macaques and humans with tuberculosis. Sci Transl Med. 6 (265), (2014).
- Coleman, M. T., et al. Early Changes by (18)Fluorodeoxyglucose positron emission tomography coregistered with computed tomography predict outcome after Mycobacterium tuberculosis infection in cynomolgus macaques. Infect Immun. 82 (6), 2400-2404 (2014).
- Lin, P. L., et al. Radiologic Responses in Cynomolgus Macaques for Assessing Tuberculosis Chemotherapy Regimens. Antimicrob Agents Chemother. 57 (9), 4237-4244 (2013).
- Diedrich, C. R., et al. Reactivation of latent tuberculosis in cynomolgus macaques infected with SIV is associated with early peripheral T cell depletion and not virus load. PLoS One. 5 (3), e9611 (2010).
- Lin, P. L., et al. The multistage vaccine H56 boosts the effects of BCG to protect cynomolgus macaques against active tuberculosis and reactivation of latent Mycobacterium tuberculosis infection. J Clin Invest. 122 (1), 303-314 (2012).
- Lin, P. L., et al. CD4 T cell depletion exacerbates acute Mycobacterium tuberculosis while reactivation of latent infection is dependent on severity of tissue depletion in cynomolgus macaques. AIDS Res Hum Retroviruses. 28 (12), 1693-1702 (2012).
- Mattila, J. T., Diedrich, C. R., Lin, P. L., Phuah, J., Flynn, J. L. Simian immunodeficiency virus-induced changes in T cell cytokine responses in cynomolgus macaques with latent Mycobacterium tuberculosis infection are associated with timing of reactivation. J Immunol. 186 (6), 3527-3537 (2011).
- Scanga, C. A., Flynn, J. A., Kaufmann, S. H. E., Rubin, E. J., Zumla, A. . Tuberculosis. , 243-258 (2015).
- Kita, Y., et al. Development of therapeutic and prophylactic vaccine against Tuberculosis using monkey and transgenic mice models. Hum Vaccin. 7, 108-114 (2011).
- Langermans, J. A., et al. Divergent effect of bacillus Calmette-Guerin (BCG) vaccination on Mycobacterium tuberculosis infection in highly related macaque species: implications for primate models in tuberculosis vaccine research. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (20), 11497-11502 (2001).
- Okada, M., et al. Novel prophylactic and therapeutic vaccine against tuberculosis. Vaccine. 27 (25-26), 3267-3270 (2009).
- Reed, S. G., et al. Defined tuberculosis vaccine, Mtb72F/AS02A, evidence of protection in cynomolgus monkeys. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (7), 2301-2306 (2009).
- Capuano, S. V., et al. Experimental Mycobacterium tuberculosis infection of cynomolgus macaques closely resembles the various manifestations of human M. tuberculosis infection. Infect Immun. 71 (10), 5831-5844 (2003).
- Srinivas, S. M., et al. A recovery coefficient method for partial volume correction of PET images. Ann Nucl Med. 23 (4), 341-348 (2009).
- Kumar, R., et al. Role of modern imaging techniques for diagnosis of infection in the era of 18F-fluorodeoxyglucose positron emission tomography. Clin Microbiol Rev. 21 (1), 209-224 (2008).
- Martin, C. J., et al. Digitally Barcoding Mycobacterium tuberculosis Reveals In Vivo Infection Dynamics in the Macaque Model of Tuberculosis. MBio. 8 (3), (2017).
- Lin, P. L., et al. Metronidazole prevents reactivation of latent Mycobacterium tuberculosis infection in macaques. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (35), 14188-14193 (2012).
- Lin, P. L., et al. Tumor necrosis factor neutralization results in disseminated disease in acute and latent Mycobacterium tuberculosis infection with normal granuloma structure in a cynomolgus macaque model. Arthritis Rheum. 62 (2), 340-350 (2010).
- Phuah, J., et al. Effects of B Cell Depletion on Early Mycobacterium tuberculosis Infection in Cynomolgus Macaques. Infect Immun. 84 (5), 1301-1311 (2016).
- Martinez, V., Castilla-Lievre, M. A., Guillet-Caruba, C., Grenier, G., Fior, R., Desarnaud, S., Doucet-Populaire, F., Boue, F. (18)F-FDG PET/CT in tuberculosis: an early non-invasive marker of therapeutic response. Int J Tuberc Lung Dis. 16 (9), 1180-1185 (2012).
- Malherbe, S. T., et al. Persisting positron emission tomography lesion activity and Mycobacterium tuberculosis mRNA after tuberculosis cure. Nat Med. 22 (10), 1094-1100 (2016).
- Chen, R. Y., et al. PET/CT imaging correlates with treatment outcome in patients with multidrug-resistant tuberculosis. Sci Transl Med. 6 (265), (2014).
