Analys av 18FDG PET/CT Imaging som ett verktyg för att studera Mycobacterium tuberculosis infektion och behandling i icke-mänskliga primater
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att beskriva analysen av 18F-FDG PET/CT imaging i icke-mänskliga primater som har smittats med M. tuberkulos att studera sjukdomsprocessen, läkemedelsbehandling och sjukdomsreaktivering.
Abstract
Mycobacterium tuberculosis är fortfarande nummer ett smittämnet i världen idag. Med uppkomsten av antibiotikaresistenta stammar behövs nya kliniskt relevanta metoder att utvärderar sjukdomsprocessen och skärmen potentiella antibiotika och vaccin behandlingar. Positron emissions tomografi/Computed Tomography (PET/CT) har etablerats som ett värdefullt verktyg för att studera ett antal lidanden som cancer, Alzheimers sjukdom och inflammation/infektion. Beskrivs här är ett antal strategier som har använts för att utvärdera PET/CT-bilder i cynomolgusapor makaker som smittade intrabronchially med låga doser av M. tuberkulos. Genom utvärdering av mållesionens storlek på CT och upptag av 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) i lesioner och lymfkörtlar i PET-bilder, Visa dessa beskrivna metoder att PET/CT imaging kan förutsäga framtida utveckling av aktiva kontra latent sjukdom och benägenhet för reaktivering från ett latent tillstånd av infektion. Dessutom, genom att analysera den totala nivån av lunginflammation, bestämma dessa metoder antibiotiska effekten av läkemedel mot M. tuberkulos i den mest kliniskt relevanta befintliga djurmodell. Dessa bild analysmetoder är några av de mest kraftfulla verktyg i arsenalen mot denna sjukdom som inte bara kan de utvärderar ett antal kännetecken för infektion och läkemedelsbehandling, men de är också direkt översättas till en klinisk inställning för användning i mänskliga studier.
Introduction
Mycobacterium tuberculosis har plågat människor under årtusenden och orsakar fler dödsfall än någon annan enskild smittämnet i världen idag. Under 2015 fanns det 10,5 miljoner rapporterade nya fall av tuberkulos (TB) globalt1 med majoriteten av fall som härrör från Indien, Indonesien, Kina, Nigeria, Pakistan och Sydafrika. Uppskattningarna placera globala dödssiffran från TB på 1,4 miljoner människor under samma tidsperiod. Detta värde är nästan 25% lägre än dödligheten 100 år sedan. Även om drogen känsliga TB är behandlingsbara, regimen är lång som kräver flera läkemedel och efterlevnad är ett bekymmer. Uppkomsten av multi resistenta (MDR) stammar stod för ~ 580.000 av de nya tuberkulosfall i 2015. Andelen framgångsrika behandlingen av patienter med MDR stammar av M. tuberculosis uppskattas bara vara runt 50%. Ännu mer alarmerande är uppkomsten av omfattande resistenta (XDR) stammar av M. tuberculosis, som är resistenta mot nästan alla tillgängliga läkemedel. Således behövs nya tekniker inom fältet för TB forskning som förbättrar möjligheten att diagnostisera TB, öka immunologiska förståelsen av sjukdomsprocessen och för screening av nya behandlingar och förebyggande strategier inklusive antibiotika regimer och vaccin effektstudier.
M. tuberculosis är en aerob omvandlades bacillus som fysiskt präglas av dess mycket komplexa yttre cellväggen och långsam tillväxt kinetik. Infektion uppstår vanligen genom inandning av enskilda bakterier som finns i aerosolized droppar som förvisas från en symtomatisk, infekterad individ samtidigt som hosta, nysningar eller sjunga. De exponerade individer som drabbas av infektion, utveckla endast 5-10% av människor aktiva kliniska TB. De återstående 90% har ett varierande spektrum av asymtomatiska infektioner som sträcker sig från subklinisk infektion till ingen sjukdom alls, varav alla är klassificerat kliniskt som latent TBC-infektion (LTBI)2,3. Av befolkningen som har denna asymtomatisk infektion, kommer cirka 10% utveckla aktiva TB genom reaktivering av innesluten infektionen under sin livstid. Risken för reaktivering dramatiskt ökar om en person med asymtomatisk infektion kontrakt HIV eller genomgår behandling med en Immunosuppressiva läkemedel, såsom TNF-hämmare4,5,6. Aktiv TB sjukdom presenterar också som ett spektrum, med de flesta människor har pulmonell tuberkulos, som påverkar lungor och bröstkorg lymfkörtlar. Dock kan M. tuberculosis infektera alla organ, så att infektionen kan också presentera i extrapulmonell platser av engagemang.
Patologiska kännetecknet för M. tuberkulos infektion är en organiserad sfäriska struktur av värdceller, kallas granulombildning. Makrofager, T-celler och B-celler är viktiga komponenter i granulom, med varierande antal neutrofiler7. Centrera av granulom är ofta nekrotisk. Granulom fungerar således som en immun närmiljön att döda eller innehåller de baciller, förhindra spridning till andra delar av lungorna. M. tuberculosis kan dock undergräva dödandet av granulom och kvarstår inom dessa strukturer i årtionden. Konsekvent och regelbunden övervakning av utvecklingen av aktiv TB sjukdom efter ny infektion eller reaktivering av LTBI är opraktiskt, vetenskapligt utmanande och tidskrävande. Tekniker som studerar dessa processer längdriktningen, i människor och människoliknande djurmodeller, är extremt användbara för det vetenskapliga samfundet främja förståelsen av många komplexiteten i M. tuberkulos infektion och sjukdom.
PET/CT är en extremt användbar imaging teknik som har använts för att studera en rad sjukdomstillstånd hos människor och djurmodeller8. PET är en funktionell teknik som använder positron-emitting radioaktiva föreningar som reporter. Dessa radioisotoper är vanligtvis functionalized till en metabolisk förening, till exempel glukos, eller till en inriktningsgrupp som utformats för att binda till en receptor av intresse. Eftersom strålningen från PET isotoper är kraftfull nog att penetrera vävnad, kan mycket låga koncentrationer användas som möjliggör studie nedanför mättnadsnivå i receptor-targeting föreningar och på en tillräckligt låg koncentration till har ingen inverkan på metabola processer när du använder medel såsom 2-deoxy – 2-(18F) Fluoro-D-glukos (FDG). CT är en tredimensionell x-ray imaging teknik som använder olika nivåer av röntgen dämpning för att identifiera fysiska egenskaper av organ inom den kropp9. När den är ihopparad med används PET, CT som en karta för att bestämma specifika platser och strukturer som visar upptag av en PET-radiotracer. PET/CT är ett kraftfullt verktyg för i vivo imaging av både människor och djurmodeller infekterad med M. tuberkulos infektion som har lett till många viktiga insikter i patogenes, svar på missbruksbehandling, sjukdom spektrum, etc6 ,10,11,12. Detta arbete beskriver specifika PET/CT analytiska metoder för att studera TB i icke-mänskliga primater modeller longitudinellt med parametrar såsom granulombildning storlek, FDG upptag i enskilda lesioner, hela lungan och lymfkörtel FDG aviditet och detektion av extrapulmonell sjukdom6,10,11,12.
Detta manuskript beskriver metoder för imaging analys i icke-mänskliga primater (NHPs), specifikt cynomolgus makaker, som används till längdriktningen utvärdera sjukdomsprogression och läkemedelsbehandling efter infektion med M. tuberculosis . NHPs är en värdefull djurmodell eftersom när inokuleras med en låg dos av M. tuberculosis Erdman stam, djur visar en mängd sjukdom utfall med ~ 50% utveckla aktiv tuberkulos och de återstående djuren ha asymtomatisk infektion (dvs. kontrollera infektionen, LTBI), som tillhandahåller den närmaste modellen till klinisk sjukdom spektrumet i människor3,13,14,15,16. Reaktivering av LTBI i makaker utlöses av samma agenter som orsaka reaktivering hos människor, till exempel som humant immunbristvirus (HIV, använder simian immunodeficiency virus (SIV) som makak versionen av HIV), CD4 utarmning eller tumör nekros faktor (TNF) neutralisering13,16. Dessutom presenterar makaker med patologi som är mycket liknar den som ses hos människa, inklusive organiserad granulom som bildas i lungorna eller andra organ17. Således, denna modell har gett viktiga insikter i grundläggande värd-patogen interaktioner i M. tuberkulosinfektion, samt värdefull kunskap om drogen regimer och vaccin mot tuberkulos14,18 , 19 , 20 , 21.
PET/CT imaging ger möjlighet att följa utseendet, distribution och progression av enskilda granulom. Detta arbete har främst använt FDG som en sond, som, som en glukos analog, införlivas metaboliskt aktiva värdceller, såsom makrofager, neutrofiler och lymfocyter8, varav samtliga är i granulom. FDG är således en proxy för värd inflammation. Analys procedurerna beskrivs häri använder OsiriX, en allmänt använd DICOM viewer tillgänglig för köp och användning. De metoder för analys av bild som beskrivs spåra form, storlek och metabolisk aktivitet (via upptag av FDG) av enskilda granulom över tid och använder imaging som en karta för att identifiera specifika lesioner vid djurens obduktion. Dessutom har en separat metod utvecklats som kvantifierar summeringen av FDG upptag i lungan över ett visst tröskelvärde (SUV ≥ 2,3) och använder detta värde för att utvärdera skillnaderna mellan kontroll och experimentella grupper över studier allt från vaccin försök att samtidig infektion modeller. Dessa data stöder att denna övergripande åtgärd av FDG upptag i lungorna är korrelerad med bakteriell belastning, vilket ger information om sjukdomsstatus. Liknande analyser kan utföras på det FDG upptaget av bröstkorg lymfkörtlar att studera sjukdomsförloppet samt. Följande protokoll beskriver den experimentella djur infektion genom bildanalys.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uppgifter som erhållits från PET/CT kan användas som surrogat mätningar för många aspekter av M. tuberkulos infektion som skulle vara observerbara utan sådan teknik. PET/CT är mycket känsligare än röntgenteknik, som ofta används i makaker studier. PET/CT ger strukturella, rumsliga och funktionella information. Analyserna ovan har många praktiska tillämpningar såsom övervakning sjukdomsprogression, bedöma effektiviteten i missbruksbehandling och ge riskfaktorer för reaktivering…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill uppmärksamma Mark Rodgers för sammanfattar de infektion förfaranden och L. Eoin Carney och Brian Lopresti för vägledning i dessa imaging förfaranden. Finansiering för detta arbete har lämnats av The Bill och Melinda Gates Foundation (J.L.F., P.L.L.), National Institutes of Health, nationella institut för allergi och smittsamma sjukdomar R01 AI111871 (P.L.L.), nationella hjärt Lung och Blood Institute 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).
