Analyse av 18FDG PET/CT Imaging som et verktøy for studerer Mycobacterium tuberculosis infeksjon og behandling i ikke-menneskelige primater
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å beskrive analyse av 18F-FDG PET/CT imaging i ikke-menneskelige primater som har blitt infisert med M. tuberkulose å studere sykdommen prosessen, behandling og sykdom reaktivering.
Abstract
Mycobacterium tuberculosis fortsatt nummer én smittsomme agent i verden i dag. Med fremveksten av antibiotika resistente stammer, er nye klinisk relevante metoder nødvendig som evalueres sykdommen prosessen og skjermen potensielle antibiotika og vaksine behandlinger. Fantes et positron utslipp tomografi/Computed tomografi (PET/CT) har blitt etablert som et verdifullt verktøy for å studere en rekke plager som kreft, Alzheimers sykdom og betennelse/infeksjon. Skissert her er en rekke strategier som har vært ansatt å evaluere PET/CT-bildene i cynomolgus aper som er infisert intrabronchially med lave doser av M. tuberkulose. Gjennom evaluering av lesjon størrelse på CT og opptak av 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) i lesjoner og lymfeknuter PET bilder, metodene beskrevet viser at PET/CT bildebehandling kan forutsi fremtidige utviklingen av aktive versus latent sykdom og tilbøyelighet for reaktivering fra en latent tilstand av infeksjon. I tillegg ved å analysere det generelle nivået av lungebetennelse, bestemmer metodene antibiotika effekten av legemidler mot M. tuberkulose i mest klinisk relevante eksisterende dyr modellen. Metodene bildet analyse er noen av de kraftigste verktøyene i arsenal mot denne sykdommen som ikke bare kan de vurdere en rekke karakteristikker av infeksjon og behandling, men de er også direkte oversettbare til en klinisk setting for bruk i human studier.
Introduction
Mycobacterium tuberculosis har plaget mennesker i årtusener, og forårsaker mer dødelighet enn noen andre enkelt smittsomme agent i verden i dag. I 2015, var det 10.5 millioner rapportert nye tilfeller av tuberkulose (TB) globalt1 med fleste tilfeller kommer fra India, Indonesia, Kina, Nigeria, Pakistan og Sør-Afrika. Anslår globale dødstallene fra TB på 1,4 millioner folk i løpet av samme tidsrom. Denne verdien er nesten 25% lavere enn dødeligheten 100 år siden. Selv om narkotika følsom TB behandles, diett er lang som krever flere medikamenter og etterlevelse er en bekymring. Fremveksten av multi-resistente (MDR) stammer utgjorde ~ 580000 nye TB tilfeller i 2015. Vellykket behandling frekvensen av pasienter med MDR stammer av M. tuberkulose er bare anslått for å være rundt 50%. Enda mer urovekkende er mye resistente (XDR) stammer av M. tuberkulose, som er resistente mot nesten alle tilgjengelige stoffet. Dermed er nye teknikker nødvendig innen TB forskning som forbedrer muligheten til å diagnostisere TB, øker immunologiske forståelsen av sykdommen prosessen og tillate screening av romanen behandlinger og forebyggende strategier, inkludert antibiotika regimer og vaksine effekt studier.
M. tuberkulose er en aerobic acid-fast bacillus som fysisk er preget av sine svært komplekse ytre cellen vegg og langsom vekst kinetics. Infeksjon oppstår vanligvis ved innånding av personlige bakterier i aerosolized dråper som er utvist fra en symptomatisk, infisert person mens hoste, nysing eller sang. Til utsatte personer som utvikler infeksjon, utvikle bare 5-10% av folk aktive klinisk TB. De resterende 90% har et varierende spekter av asymptomatisk infeksjoner som varierer fra subklinisk infeksjon til ingen sykdom, som klassifiseres klinisk latente TB infeksjon (LTBI)2,3. Av befolkningen som har denne asymptomatisk infeksjon, vil ca 10% utvikle aktive TB ved reaktivering av inneholdt infeksjon i livet. Risikoen for reaktivering dramatisk øker hvis en person med asymptomatisk infeksjon kontrakter HIV eller gjennomgår behandling med en suppressive stoff, som TNF hemmere4,5,6. Aktiv TB sykdom presenterer også som et spekter, med de fleste mennesker har lunge TB, som påvirker lunger og bryst lymfeknuter. M. tuberkulose kan imidlertid infisere noen orgel, slik at infeksjonen kan også presentere i extrapulmonary områder av engasjement.
Patologisk kjennetegner M. tuberkulose infeksjon er en ordnet sfærisk struktur av verten cellene, kalt granulom. Makrofager, T celler og B-celler er store deler av granulom, med variabelt antall nøytrofile7. Midten av granulom er ofte nekrose. Dermed fungerer granulomer som en immun microenvironment å drepe eller inneholde bakterier, hindre spredning til andre deler av lungene. Imidlertid kan M. tuberkulose undergrave drap av granulom, og vedvarer i disse strukturene i flere tiår. Konsekvent og regelmessig overvåking for utviklingen av aktiv TB sykdom etter ny infeksjon eller reaktivering av LTBI er upraktisk, vitenskapelig utfordrende og tidkrevende. Teknikker som studerer prosessene langs, mennesker og menneske-lignende dyr modeller, er svært nyttig å det vitenskapelige samfunnet i å fremme forståelsen av mange komplekse M. tuberkulose infeksjon og sykdom.
PET/CT er en svært nyttig tenkelig teknikk som har vært ansatt å studere en lang rekke sykdomstilstander hos mennesker og dyr modeller8. PET er en funksjonell teknikk som bruker fantes et positron-emitting radioaktive stoffer som reporter. Disse radioisotopes er vanligvis functionalized til en metabolsk sammensatte, som glukose, eller målretting gruppe som skal bindes til en reseptor rundt. Siden stråling som slippes ut fra PET isotoper er kraftig nok til å trenge gjennom vev, kan svært lave konsentrasjoner brukes som tillater studien nedenfor metningsnivåer i reseptor målretting forbindelser og en lav nok konsentrasjon å ikke ha noen innvirkning på metabolske behandler når du bruker agenter for eksempel 2-deoxy – 2-(18F) Fluoro-D-glukose (FDG). CT er en tredimensjonal x-ray tenkelig teknikk som bruker varierende grad av x-ray demping for å identifisere fysiske egenskapene til organer i kroppen9. Når sammenkoblet med er PET, CT brukt som kart for å finne bestemte steder og strukturer som viser opptak av en PET radiotracer. PET/CT er et kraftig verktøy for i vivo avbildning av både mennesker og dyr modeller infisert med M. tuberkulose infeksjon som har ført til mange viktige innsikter i patogenesen, respons på behandling, sykdom spektrum, etc6 ,10,11,12. Dette verket beskriver bestemte PET/CT analytiske metoder for å studere TB ikke-menneskelige primas modeller langs med parameterne som granulom størrelse, FDG opptak i individuelle lesjoner, hele lunge og lymfeknute FDG avidity og oppdagelsen av extrapulmonary sykdom6,10,11,12.
Dette manuskriptet beskriver metoder Imaging analyse i ikke-menneskelige primater (NHPs), spesielt cynomolgus aper, som brukes til å evaluere langs sykdomsprogresjon og behandling etter infeksjon med M. tuberkulose . NHPs er en verdifull dyremodell fordi når inokulert med en lav dose av M. tuberkulose Erdman belastning, dyr viser en rekke sykdom resultater med ~ 50% utvikler aktivt TB og gjenværende dyrene har asymptomatisk infeksjon (dvs. kontrollere infeksjon, LTBI), gir den nærmeste modellen til kliniske sykdommen spekteret sett i mennesker,3,,13,,14,,15,,16. Reaktivering av LTBI i aper utløses av samme agenter som forårsaker aktivering hos mennesker, som eksempler på humant immunsviktvirus (HIV, bruker simian immunsviktvirus (SIV) som macaque versjonen av HIV), CD4 uttømming eller svulst nekrose faktor (TNF) nøytralisering13,16. I tillegg presenterer aper patologi som er svært lik som sett i mennesker, inkludert de organiserte granulomer som danner i lungene eller andre organer17. Derfor har denne modellen gitt viktig innsikt i grunnleggende vert-patogen samhandlinger i M. tuberkulose infeksjon, i tillegg til verdifull kunnskap om narkotika regimer og vaksiner for tuberkulose14,18 , 19 , 20 , 21.
PET/CT imaging gir deg muligheten til å følge utseende, distribusjon og progresjon av personlige granulomer. Dette arbeidet har primært brukes FDG som en sonde, som, som en glukose analog, inkorporerer i metabolically aktiv vertsceller, som makrofager, nøytrofile og lymfocytter8, alle er i granulomer. Dermed er FDG en proxy for verten betennelse. Analyse prosedyrene detaljert her bruker OsiriX, brukte DICOM seer tilgjengelig for kjøp og bruk. Bildet analyse metodene beskrevet spore form, størrelse og metabolsk aktivitet (via FDG opptak) av personlige granulomer over tid og bruker bildebehandling som kart for å identifisere bestemte lesjoner på dyr obduksjon. I tillegg er en separat metoden utviklet som quantifies summering av FDG opptak i lungene over en bestemt terskel (SUV ≥ 2.3) og bruker denne verdien til å evaluere forskjeller mellom kontrollen og eksperimentelle grupper på tvers av studier fra vaksine forsøk å co infeksjon modeller. Disse dataene støtte som dette samlet mål av FDG opptak i lungene er korrelert med bakteriell byrden, gir informasjon om sykdommen. Lignende analyser kan utføres på FDG opptaket av thorax lymfeknuter å studere progresjon av sykdommen også. Følgende protokollen beskriver eksperimentelle fra dyr infeksjon gjennom bildeanalyser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Data fra PET/CT kan brukes som surrogat mål for mange aspekter av M. tuberkulose infeksjon som ville være unobservable uten slik teknologi. PET/CT er mye mer følsom enn X-ray-teknologi, som ofte brukes i aper studier. PET/CT gir strukturelle, romlige og funksjonelle. Analysene beskrevet ovenfor har mange praktiske bruksområder som overvåking sykdomsprogresjon, vurdering av effekten av behandling og gir risikofaktorer for reaktivering6,10,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne Mark Rodgers til å disponere infeksjon prosedyrer og L. Eoin Carney og Brian Lopresti for veiledning i å etablere fremgangsmåtene tenkelig. Finansiering for dette arbeidet har blitt gitt av The Bill og Melinda Gates Foundation (J.L.F., P.L.L.), National Institutes of Health, National Institutes of Allergy og smittsomme sykdommer R01 AI111871 (P.L.L.), National hjerte-lunge og blod Institutt 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).
