La détermination de métabolisme du glucose Kinetics L&#39;utilisation<sup&gt; 18</sup&gt; F-FDG-PET Micro / CT

Résumé

This study describes a protocol that uses ¹⁸F-FDG and positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) imaging, together with kinetic modelling, to quantify the in vivo, real-time uptake of ¹⁸F-FDG into tissues.

Résumé

This paper describes the use of ¹⁸F-FDG and micro-PET/CT imaging to determine in vivo glucose metabolism kinetics in mice (and is transferable to rats). Impaired uptake and metabolism of glucose in multiple organ systems due to insulin resistance is a hallmark of type 2 diabetes. The ability of this technique to extract an image-derived input function from the vena cava using an iterative deconvolution method eliminates the requirement of the collection of arterial blood samples. Fitting of tissue and vena cava time activity curves to a two-tissue, three compartment model permits the estimation of kinetic micro-parameters related to the ¹⁸F-FDG uptake from the plasma to the intracellular space, the rate of transport from intracellular space to plasma and the rate of ¹⁸F-FDG phosphorylation. This methodology allows for multiple measures of glucose uptake and metabolism kinetics in the context of longitudinal studies and also provides insights into the efficacy of therapeutic interventions.

Introduction

Le but de cette étude était de développer une tomographie par émission de positons / tomodensitométrie (PET / CT) sur la base de la méthodologie de quantifier in vivo, l' absorption en temps réel de glucose dans le flux sanguin dans les tissus spécifiques chez la souris. Ceci a été réalisé en utilisant ¹⁸ fluorodésoxyglucose marqué au F (FDG) pour mesurer l' absorption du glucose et la modélisation cinétique pour estimer les taux de ¹⁸ fixation F-FDG à partir du plasma vers l'espace intracellulaire, la vitesse de transport de l' espace intracellulaire à plasma et le taux de ¹⁸ phosphorylation F-FDG.

Chez les rongeurs, ¹⁸ F-FDG a été utilisé dans l'évaluation préclinique de nombreux traitements contre le cancer ^1, les études de la progression tumorale ² et le métabolisme de la tumeur ³ ainsi que l' imagerie des dépôts de graisse brune ^4, neuroinflammation ⁵ et le métabolisme du cerveau ⁶ .

Les méthodes traditionnelles utilisées pour examiner le tissu absorption spécifique du glucose chez les souris et les rats () impliquent généralement un traitement avec du 2-désoxyglucose radiomarqué soit avec ³ H ou ¹⁴ C suivie de l' euthanasie, recueil de tissu et la mesure de la radioactivité dans chaque tissu ^7. L'utilisation de la TEP / CT permet de déterminer non invasive de l'absorption du glucose et le métabolisme dans plusieurs organes et régions simultanément d'animaux vivants. En outre, comme l'euthanasie n'est pas une exigence, cette technique peut être utilisée dans des études longitudinales.

Diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par un métabolisme du glucose perturbé et l' hyperglycémie secondaire à réactivité réduite des tissus à l' insuline (résistance à l'insuline) et l'incapacité des cellules ß pancréatiques pour produire des quantités suffisantes d'insuline ^8. L'analyse cinétique de l'absorption du glucose et le métabolisme peut fournir des informations importantes surle mécanisme d'action et l'efficacité des interventions thérapeutiques ainsi que de permettre la surveillance avancée de la progression de la maladie.

Protocole

Toutes les procédures décrites dans cette étude ont été approuvés par les comités de santé du district local de Sydney et de l' Université de Sydney et l' éthique animale ont suivi le NIH Guide pour la prise en charge et l' utilisation des animaux de laboratoire, huitième édition (2011).

1. Préparation des animaux

REMARQUE: Dans ce protocole des souris mâles db / db (BKS.Cg- Dock7 ^m + / + Lepr ^db / J) ont été maintenues dans un logement de groupe avec un accès ad libitum à la nourriture et à l' eau jusqu'à 6 semaines d'âge. Au moment de l'imagerie, les souris pesaient environ 30 g. Toutes les souris utilisées dans ce protocole avaient des taux à jeun de glucose dans le sang entre 10 et 14 mmol / L.

1. Si nécessaire, les souris rapide. Dans le présent exemple, jeûner les souris pendant 5 heures avant la procédure expérimentale.
2. Traiter les souris avec l'agent désiré (par exemple , médicament, une protéine, peptide) avant le début de formation d' image. Dans cet exemple, administrer une injection sous-cutanée d'insuline (3U / kg d'insuline humaine) ou d'un volume équivalent de PBS 30 min avant le début de l'imagerie.

2. Mettre en place de workflow

NOTE: Ce protocole a été mis en œuvre sur un scanner TEP / CT. Acquérir des données PET en premier, suivi par l'acquisition de données CT.

1. Paramètres PET:
   1. Sélectionner isotope comme ¹⁸ F, définie durée de balayage à 3,600 s, et supérieure et inférieure de niveau de discrimination de l' énergie à 350 keV - 650 keV (par défaut) avec une fenêtre de cadencement de coïncidence de 3.432 ns (par défaut). Histogramme des données en mode liste dans 16 trames (6 x 10 s, 4 x 60 s, 1 x 300 s, 5 × 600 s) pour la période de 0-60 minutes après l'injection du traceur. Reconstruire émission sinogrammes utilisant 2D-FBP avec un zoom 1,5.
      NOTE: Les images reconstruites se composait de 16 cadres dynamiques, chacune avec 128 × 128 × 159 voxels et une taille de voxel de 0,52 × 0,52 × 0,796 mm ^3.
2. Paramètres CT:
   1. Pourun balayage tout le corps de CT, régler le courant à 500 A, la tension à 50 kV, temps d'exposition de 500 ms et 200 projections sur une rotation de 360. Réglez le champ du détecteur de vue (FOV) à 30.722.048, le nombre de positions de lit à 3 (pour couvrir gamme PET FoV complète), le chevauchement entre les positions de lit = 30,234713% et binning détecteur à 4.
      REMARQUE: la reconstruction de CT a été réalisée en utilisant un logiciel de reconstruction d'images de tomographie à faisceau conique avec étalonnage HU, interpolation bilinéaire et de filtrage Shepp-Logan.
3. ¹⁸ F-FDG:
   1. Commandez suffisante ¹⁸ F-FDG (par exemple 450 MBq dans 0,5 ml) d'un fournisseur local pour arriver ~ 30 minutes avant la première injection. Aliquote et diluer le ¹⁸ F-FDG afin que les animaux reçoivent ~ 10 MBq de ¹⁸ F-FDG dans un volume final de 0,1 ml.

3. Protocole d'imagerie

1. Essuyer chambre d'induction et un lit de formation d'image avec 80% (v / v) d'éthanol pour maintenir des conditions aseptiques. PlaCE de la souris dans une chambre d'induction et anesthésier avec 5% d'isoflurane dans de l'oxygène.
2. Placer la souris sur un lit de formation d'image équipé d'un coussin chauffant pour maintenir la température du corps et un vaporiseur précision cône de nez pour délivrer isoflurane (maintenance, de 1,5 à 2%) à un débit de 1 L / min. Appliquer une pommade ophtalmique sur les yeux pour prévenir la sécheresse alors que sous anesthésie.
3. Placez la souris dans une position couchée sur un coussin de capteur pour surveiller la respiration et assurer un plan adéquat d'anesthésie est maintenue.
4. Chauffer la queue en utilisant un ensemble chauffant pour les 1 - 2 min pour dilater la veine latérale de la queue. Cathétériser la veine latérale de la queue en insérant une aiguille de calibre 30 dans la veine latérale de la queue. Fixer l'aiguille en place avec de la colle chirurgicale et fixer le cathéter.
5. Imagerie en charge de fond dans le scanner et déplacer le lit à travers la machine de sorte que le cathéter est accessible depuis l'arrière de la machine.
6. Fixer le cathéter à la seringue ¹⁸ F-FDG dans un syrconducteur inge. Calculer la dose exacte ¹⁸ F-FDG (10 MBq) sur la base de l' activité dans la seringue avant l' injection et le volume à administrer (<100 ul, injecté en 10 s).
7. Pour minimiser l'impact de l' anesthésie sur la variabilité de l' absorption du glucose, assurer une constante de temps entre l' induction de l' anesthésie et l' injection de ¹⁸ F-FDG (par exemple, 30 min).
8. Commencer le PET scan immédiatement avant l' injection de ¹⁸ F-FDG. Après avoir terminé le PET scan (3,600 s), effectuer un tomodensitogramme (~ 10 minutes) pour permettre de co-enregistrement de l'absorption de radiotraceurs avec les tissus.
9. Déplacez le lit d'imagerie à la position de départ, retirer l'animal du lit.
10. A ce stade euthanasier l'animal ou lui permettre de récupérer:
    1. Pour l'euthanasie, effectuer une dislocation cervicale sous anesthésie tout en restant et recueillir des organes d'intérêt pour une analyse ultérieure.
    2. Si la souris permet de récupérer, placer la souris dans boîtier unique sur un coussin chauffant ouen face d'une lampe chauffante. Surveiller la souris jusqu'à ce qu'il ait repris connaissance suffisante pour maintenir décubitus sternale. Laisser la souris pour récupérer pendant 1 h avant de retourner au logement du groupe.

4. PET Traitement de l'image

NOTE: La reconstruction d'image a été réalisée en utilisant le logiciel v1.5.0.28 et l'analyse en milieu de travail d'acquisition v4.2 logiciel de recherche en milieu de travail.

1. Co-enregistrer les images CT et PET et veiller à ce que l'alignement est correct dans les 3 dimensions.
   1. Dans le menu « Fichier », sélectionnez « Dossier Recherche / Importer » et sélectionnez le dossier contenant les données. Sélectionnez les données PET et CT et cliquez sur l'onglet «Analyse générale.
   2. Trier les données de sorte que le CR est désigné « Source » et PET est désignée « cible ». Dans le menu « workflow », sélectionnez « Inscription ». Si les images doivent être ajustées pour être co-enregistré correctement, utilisez les outils eMenu e 'Enregistrement'.
2. Dans le menu 'flux de travail', sélectionnez 'ROI Quantification'.
   1. Utilisez l'onglet « Pan » et « Zoom » fonctions dans le « image » pour localiser la région désirée. Dans le menu « Outils », sélectionnez l'onglet « Créer » et cliquez sur l'icône du pinceau. Dessinez le ROI sur l'image
3. Extrait des courbes temps-activité en sélectionnant « Enregistrer le retour sur investissement Quantification » dans le menu « Enregistrer ». Enregistrer les données sous forme de fichier CSV.
4. Quantifier l' absorption de radioactivité par cm ³ Bq de tissu. Convertir les valeurs en pourcentage de dose injectée par cm ³ (% ID / cm ³⁾ en chargeant le fichier CSV dans un tableur.

5. Fonction d'entrée

1. Pour corriger la fonction d'étalement de point du système, le système déconvoluer estimé PSF pendant 5 itérations en utilisant la méthode de déconvolution reblurred Van Cittert ⁹ comme décrit précédemment.
   NOTE: Ceci est nécessaire en raison de la petite taille de la veine cave dans une souris.
2. Utiliser des images poste de déconvolution pour générer une courbe fonction d'entrée de sang-temps l'activité comme décrit ci-dessus.

6. Modélisation cinétique

NOTE: Le modèle du compartiment de deux tissus FDG (figure 1) nécessite la fonction d'entrée de plasma.

1. Autre la fonction d'entrée du sang dans le fichier CSV à la fonction d'entrée de plasma en utilisant l'équation suivante ^10: Input_plasma = Input_blood × (0,386 e ^{- 0.191t} + 1,165).
2. Dans l'outil de modélisation cinétique cliquez sur le bouton « cinétique ». Importez le tissu et l'activité plasmatique totale comptent des fichiers CSV dans l'outil de modélisation cinétique en sélectionnant « Temps de charge Courbe d'activité » du « Menu ».
3. Dans le menu « modèle », sélectionnez 2 compartiments de tissus. Assurez-vous que la case à côté de K4 est désélectionnéet entrer une valeur de 0. Pour le montage initial, décocher la case pour vB (fraction de volume sanguin) et entrer une valeur de 2%.
4. Cliquez sur le "Fit région actuelle. Corriger la région extraite d'intérêt pour la dispersion ^{11, 12.} Atteindre cet objectif en réduisant au minimum la valeur du chi carré pour le modèle FDG pour différents temps de dispersion.
5. Effectuer une deuxième forme en utilisant la valeur de vB flottante (Cochez la case à côté de la boîte pour vB) et la valeur de dispersion optimisée pour calculer les constantes de vitesse régionales (k ₁ -k _3). Calculer l'afflux en tant que région constante K _i = (k ₁ × k ₃₎ / (k ₂ + k _3).

Résultats

Nous avons déjà utilisé le modèle de la souris db / db pour étudier l'impact de l' augmentation des niveaux plasmatiques apo-I sur la cinétique de l' absorption du glucose et le métabolisme ^13. Dans cette étude , nous avons utilisé des souris db / db traités avec de l' insuline pour démontrer l'utilité de l' imagerie TEP / CT pour surveiller l'absorption de ¹⁸ F-FDG à partir du plasma dans le muscle gastrocnémie...

Discussion

Le protocole décrit ici représente un solide, méthode non invasive pour déterminer la cinétique de l'absorption du glucose à partir du flux sanguin dans le tissu et le métabolisme ultérieur chez la souris.

La souris db / db est un est un modèle animal bien établi du diabète de type 2 ¹⁴ qui a été largement utilisé pour évaluer la résistance à l'insuline et les interventions pertinentes. Toutefois, des études antérieures ont seulement l' ...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
PET/CT Scanner	Siemens	Inveon
18F-FDG	PETNET Solutions
Isoflurane	Pharmachem
30 guage needle	BD	305106
PMOD modelling software	PMOD Technologies
BKS.Cg-Dock7m +/+ Leprdb/J mice	Jackson Laboratory	000642
Human insulin	Sigma-Aldrich