JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

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.

Abstract

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

מטרת המחקר הנוכחי הייתה לפתח טומוגרפיה טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים / ממוחשבת (PET / CT) המתודולוגיה מבוססת לכמת את in vivo, בזמן אמת ספיגת הגלוקוז מזרם הדם לתוך רקמות ספציפיות בעכברים. זו הושגה באמצעות 18 F-שכותרתו fluorodeoxyglucose (FDG) כדי למדוד ספיגת הגלוקוז דוגמנות הקינטית כדי לאמוד את שיעורי 18 ספיגת F-FDG מן הפלזמה למרחב התאי, שיעור התחבורה מהחלל תאי לפלזמה והשיעור 18 זירחון F-FDG.

במכרסמים, 18 F-FDG נעשה שימוש בהערכת טרום הקליני של טיפולים בסרטן רבים 1, מחקרים של התקדמות גידול 2 וחילוף חומרי גידול 3 וכן הדמיה של מאגרי שומן חום 4, neuroinflamation 5 והמוח המטבוליזם 6 .

שיטות מסורתיות להשתמש כדי לבחון את ספיגת רקמות ספציפיות של גלוקוז בעכברים (וחולדות) כרוך בדרך כלל לטיפול רדיואקטיבי 2-deoxyglucose גם עם 3 H או 14 C ואחריו המתת חסד, אוסף רקמות ומדידה של רדיואקטיביות בכל רקמות 7. שימוש PET / CT מאפשר קביעה פולשנית של ספיגת הגלוקוז וחילוף חומרים באיברים ואזורים בו זמנית בבעלי חיים. בנוסף, כמו המתת חסד אינה דרישה, טכניקה זו מתאימה לשימוש במחקרי אורך.

סוכרת מסוג 2 (T2DM) מאופיינת חילוף החומרים של הגלוקוז מופרת היפרגליקמיה משנית היענות הרקמה מופחת אינסולין (תנגודת לאינסולין) וחוסר היכולת של -cells הלבלב לייצר כמות מספקת של אינסולין 8. ניתוח קינטי של ספיגת והגלוקוז יכול לספק תובנות חשובותמנגנון הפעולה ויעילות של התערבויות טיפוליות כמו גם לאפשר ניטור מתקדם של התקדמות מחלה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

כל התהליכים המתוארים במחקר זה אושרו על ידי המחוזי הבריאות המקומי סידני ואוניברסיטת ועדות אתיקה Animal סידני בעקבות מדריך NIH לטיפול ולשימוש בחיות מעבדה, מהדורה שמינית (2011).

1. הכנת בעלי חיים

הערה: db זכר בפרוטוקול זה / עכברי db (BKS.Cg- Dock7 מטר + / + Lepr db / J) יוחזק בדיור קבוצתי עם גישה כרצונך כדי ושולח מים עד 6 שבועות של גיל. בזמנו של הדמיה, עכברים שקל ~ 30 גרם. כל העכברים להשתמש בפרוטוקול זה היה צום רמות הגלוקוז בדם בין 10 לבין 14 mmol / L.

  1. אם נדרש, לצום העכברים. בדוגמה הנוכחית, לצום העכברים עבור 5 שעות לפני ההליך הניסיוני.
  2. פנקו עכברים עם הסוכן הרצוי (למשל סמים, חלבון, פפטיד) לפני תחילתו של הדמיה. בדוגמה זו, לנהל הזרקה תת עורית של אינסולין (3U / אינסולין אנושי ק"ג) או נפח שווה PBS 30 דקות לפני תחילת הדמיה.

Workflow 2. הגדרה

הערה: פרוטוקול זה יושם על סורק PET / CT. רוכש את נתוני PET הראשון, ואחריו רכישת נתוני CT.

  1. הגדרות PET:
    1. איזוטופ בחר בתור 18 F, להגדיר משך סריקת 3600 s, ואפלית אנרגיה ברמה עליונה ותחתונה 350 keV - 650 keV (ברירת מחדל) עם חלון תזמון מקרה של 3.432 NS (ברירת מחדל). נתונים הרשימה במצב היסטוגרמה לתוך 16 מסגרות (6 × 10 s, 4 × 60 s, 1 × 300 ים, 5 × 600 ים) לתקופה 0 - 60 דק 'לאחר הזרקת נותב. שחזרו פליטת sinograms באמצעות 2D-FBP עם זום 1.5.
      הערה: התמונות המשוחזרות כלל 16 מסגרות דינמיות, כל אחד עם 128 × 128 × 159 ווקסלים וגודל voxel של 0.52 × 0.52 × 0.796 מ"מ 3.
  2. הגדרות CT:
    1. לבדיקת CT של כל הגוף, להגדיר את הזרם ב 500 A, מתח בבית 50 קילו, זמן חשיפה 500 ms ו 200 תחזיות מעל סיבוב 360. הגדר את השדה גלאי מבט (FOV) כדי 30,722,048, מספר עמדות המיטה כדי 3 (כדי לכסות את מלוא טווח PET FoV), חפיפה בין עמדות במיטה = 30.234713% ו binning הגלאי 4.
      הערה: שחזור CT בוצע באמצעות תוכנת שחזור תמונה טומוגרפיה קרן קונוס עם כיול HU, אינטרפולציה bilinear ולסנן שפ-לוגן.
  3. 18 F-FDG:
    1. להזמין מספיק 18 F-FDG (למשל 450 MBq ב 0.5 מ"ל) מספקית המקומית להגיע ~ 30 דקות לפני הזריקה הראשונה. Aliquot ו לדלל את 18 F-FDG כך חיות מקבלים ~ 10 MBq של 18 F-FDG בנפח סופי של 0.1 מ"ל.

3. הדמיה פרוטוקול

  1. נגב את תא אינדוקצית מיטת הדמיה עם 80% (V / V) אתנול כדי לשמור על תנאים מזוהמים. PlaCE העכבר בתא אינדוקציה להרדים עם isoflurane 5% חמצן.
  2. מניח את העכבר על גבי מיטת הדמיה מצוידת כרית חימום חשמלית כדי לשמור על טמפרטורת גוף ועל חרטומו מאדה דיוק כדי לספק isoflurane (תחזוקה, 1.5 - 2%) בקצב זרימה של 1 ליטר / דקה. החל משחת עיניים על העיניים כדי למנוע יובש תוך בהרדמה.
  3. מקם את עכבר אפרקדן על כרית חשות נשימה להבטיח מטוס נאות של הרדמה נשמרת.
  4. לחמם את הזנב באמצעות חבילת חום עבור 1 - 2 דק 'להתרחב וריד הזנב לרוחב. לצנתר וריד הזנב לרוחב על ידי החדרת מחט 30-מד לתוך וריד הזנב לרוחב. Secure את המחט במקום עם דבק כירורגים ולאבטח את הקטטר.
  5. הדמיה טען המיטה אל הסורק להזיז את המיטה במכונית כך קטטר ניתן לגשת האחורי של המכונה.
  6. צרף את הקטטר המזרק F-FDG 18 בתוך SYRנהג אינגה. חשבתי את מינון 18 F-FDG המדויק (10 MBq) מבוסס על פעילות מזרק לפני הזרקה ואת מהנפח צריך להינתן (<100 μL, מוזרק מעל 10 ימים).
  7. כדי למזער את ההשפעה של הרדמה על השתנות של ספיגת הגלוקוז, להבטיח זמן קבוע בין אינדוקציה של הרדמה והזרקת של 18 F-FDG (למשל, 30 דק ').
  8. להתחיל את סריקת PET מיד לפני ההזרקה של 18 F-FDG. לאחר סיום סריקת PET (3600 ימים), לבצע בדיקת CT (~ 10 דקות), כדי לאפשר שיתוף רישום של ספיגת radiotracer עם רקמות.
  9. הזז את מיטת ההדמיה למצב ההתחלתי, להסיר את החיה מן המיטה.
  10. בשלב זה להרדימו או לאפשר לו להתאושש:
    1. המתת חסד, לבצע פריקה צוואר הרחם תוך עדיין תחת הרדמה ולאסוף איברים של עניין לניתוח שלאחר מכן.
    2. אם התיר בעכבר כדי להתאושש, מניח את עכבר דיור אחת על כרית חימום אומול מנורת חימום. צג את העכבר עד שהוא שב להכרתו מספיק כדי לשמור על שכיבה sternal. אפשר העכבר כדי להתאושש במשך 1 h לפני החזרת דיור קבוצה.

4. עיבוד תמונה PET

הערה: שחזור תמונה בוצע באמצעות v1.5.0.28 תוכנת עבודת רכישה וניתוח v4.2 תוכנת עבודת מחקר.

  1. Co-לרשום תמונות CT ו- PET ולהבטיח כי יישור נכון בכל 3 מימדים.
    1. בתפריט "קובץ", בחר "חיפוש Folder / ייבוא" ובחר את התיקיה המכילה את הנתונים. בחר את נתוני PET ו- CT הרצויים ולחץ על הכרטיסייה "הניתוח הכללי".
    2. מיין את הנתונים כך CR מיועד ב'מקור 'ו PET מיועדת "יעד". בתפריט "Workflow", בחר "רישום". אם התמונות מחייבות התאמה להיות שיתוף רשום כראוי, להשתמש בכלים ההתפריט "רישום" e.
  2. בתפריט "Workflow", בחר "כימות ROI".
    1. השתמש בפונקציות "פאן" ו "זום" בלשונית "תמונה" כדי לאתר את האזור הרצוי. בתפריט "כלים", בחר את הכרטיסייה "צור" ולחץ על הסמל מכחול. צייר את ההחזר על ההשקעה על התמונה
  3. חלץ עקומות-פעילות זמן על ידי בחירת "שמור ROI כימות" מתפריט "שמור". שמור את הנתונים כקובץ CSV.
  4. לכמת ספיגת קרינה רדיואקטיבית כמו בקרל לס"מ 3 של רקמות. המרת ערכים לתוך אחוז מהחומר המוזרק לס"מ 3 (% מזהה / ס"מ 3) על ידי טעינת קובץ CSV לתוך גיליון אלקטרוני.

פונקצית קלט 5.

  1. כדי לתקן את הפונקציה התפשטות שיטת הניקוד, deconvolve כוחות הביטחון הפלסטינים המערכת המשוער 5 חזרות בשיטת פישוט reblurred ואן Cittert כפי שתואר לעיל 9.
    הערה: זה נדרש בשל גודלו הקטן של הווריד הנבוב בתוך העכבר.
  2. השתמש בתמונות פישוט פוסט כדי ליצור עקומה-פעילות זמן פונקצית דם קלט כמתואר לעיל.

6. דוגמנות קינטי

הערה: מודל התא שתי רקמות FDG (איור 1) דורשת את פונקצית קלט פלזמה.

  1. המרת פונקצית קלט דם קובץ CSV לפונקצית קלט פלזמה באמצעות המשוואה הבאה 10: Input_plasma = × Input_blood (0.386 e - 0.191t + 1.165).
  2. בכלי מידול הקינטית ללחוץ על כפתור "קינטי". ייבא את רקמות ופעילות פלזמה הכולל לספור קבצי CSV לתוך כלי מידול הקינטית ידי בחירת "Curve פעילות זמן טעינה" מן "תפריט".
  3. בתפריט "דגם" ובחר 2 תאים ברקמות. ודא כי התיבה לצד K4 היא לא מסומנתוזן ערך של 0. עבור הולם ראשוני, הסר את סימון מהתיבה VB (שבריר דם נפח) וזן ערך של 2%.
  4. לחץ על "באזור הנוכחי Fit". תקן באזור החילוץ של עניין הפיזור 11, 12. להשיג זאת על ידי צמצום ערך צ'י מרובע עבור מודל FDG לזמני פיזור שונים.
  5. בצע התאמה שנייה באמצעות ערך vB צף (סמן את התיבה שליד התיבה עבור VB) ואת ערך הפיזור האופטימלי כדי לחשב את קבועי קצב האזוריים (k 1 -k 3). חשבתי את הזרם האזורי המתמיד כמו K i = (k 1 × k 3) / (k 2 + k 3).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

בעבר השתמשנו במודל עכבר db / db לחקור את ההשפעה של הגדלת רמות apoA-לי פלזמה על קינטיקה של ספיגת הגלוקוז וחילוף החומרים 13. במחקר זה השתמשנו עכברי db / db מטופלים באינסולין כדי להדגים את התועלת של בבדיקת PET / CT כדי לפקח על הספיגה של 18 F-FDG מן הפ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

הפרוטוקול המתואר כאן מייצג מתודולוגיה חזק, לא פולשנית כדי לקבוע את קינטיקה של ספיגת הגלוקוז מזרם הדם לתוך רקמות וחילוף החומרים הבאים בעכברים.

עכבר db / db הוא מהווה מודל חי ומבוסס של סוכרת מסוג 2 14 כי נעשה שימוש נרחב כדי ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by a National Imaging Facility Subsidised Access Grant to BJC, a National Health and Medical Research Council of Australia program grant (482800) to KAR and PJB. The authors would like to thank Andrew Arthur, Hasar Hazme and Marie-Claude Gregoire for support in developing this method.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
PET/CT ScannerSiemensInveon 
18F-FDGPETNET Solutions
IsofluranePharmachem
30 guage needleBD305106
PMOD modelling softwarePMOD Technologies
BKS.Cg-Dock7m +/+ Leprdb/J miceJackson Laboratory000642
Human insulinSigma-Aldrich

References

  1. Jensen, M. M., Kjaer, A. Monitoring of anti-cancer treatment with (18)F-FDG and (18)F-FLT PET: a comprehensive review of pre-clinical studies. Am J Nucl Med Mol Imaging. 5, 431-456 (2015).
  2. Duncan, K., et al. (18)F-FDG-PET/CT imaging in an IL-6- and MYC-driven mouse model of human multiple myeloma affords objective evaluation of plasma cell tumor progression and therapeutic response to the proteasome inhibitor ixazomib. Blood Cancer J. 3, e165(2013).
  3. Wang, Y., Kung, A. L. 18F-FDG-PET/CT imaging of drug-induced metabolic changes in genetically engineered mouse lung cancer models. Cold Spring Harb Protoc. 2015, 176-179 (2015).
  4. Wang, X., Minze, L. J., Shi, Z. Z. Functional imaging of brown fat in mice with 18F-FDG micro-PET/CT. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2012).
  5. Radu, C. G., Shu, C. J., Shelly, S. M., Phelps, M. E., Witte, O. N. Positron emission tomography with computed tomography imaging of neuroinflammation in experimental autoimmune encephalomyelitis. Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 1937-1942 (2007).
  6. Toba, S., et al. Post-natal treatment by a blood-brain-barrier permeable calpain inhibitor, SNJ1945 rescued defective function in lissencephaly. Sci Rep. 3, 1224(2013).
  7. Halseth, A. E., Bracy, D. P., Wasserman, D. H. Overexpression of hexokinase II increases insulinand exercise-stimulated muscle glucose uptake in vivo. Am J Physiol. 276, E70-E77 (1999).
  8. Defronzo, R. A. Banting Lecture. From the triumvirate to the ominous octet: a new paradigm for the treatment of type 2 diabetes mellitus. Diabetes. 58, 773-795 (2009).
  9. Tohka, J., Reilhac, A. Deconvolution-based partial volume correction in Raclopride-PET and Monte Carlo comparison to MR-based method. NeuroImage. 39, 1570-1584 (2008).
  10. Wu, H. M., et al. et al. In vivo quantitation of glucose metabolism in mice using small-animal PET and a microfluidic device. J Nucl Med. 48, 837-845 (2007).
  11. Oikonen, V. Model equations for the dispersion of the input function in bolus infusion PET studies. , Available from: http://www.turkupetcentre.net/reports/tpcmod0003.pdf (2002).
  12. Iida, H., et al. Error analysis of a quantitative cerebral blood flow measurement using H2(15)O autoradiography and positron emission tomography, with respect to the dispersion of the input function. J Cereb Blood Flow Metab. 6, 536-545 (1986).
  13. Cochran, B. J., et al. In vivo PET imaging with [18F]FDG to explain improved glucose uptake in an apolipoprotein A-I treated mouse model of diabetes. Diabetologia. 59, 1977-1984 (2016).
  14. Kobayashi, K., et al. The db/db mouse, a model for diabetic dyslipidemia: molecular characterization and effects of Western diet feeding. Metabolism. 49, 22-31 (2000).
  15. Yue, P., et al. Magnetic resonance imaging of progressive cardiomyopathic changes in the db/db mouse. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 292, H2106-H2118 (2007).
  16. Hagberg, C. E., et al. Targeting VEGF-B as a novel treatment for insulin resistance and type 2 diabetes. Nature. 490, 426-430 (2012).
  17. Alf, M. F., et al. Quantification of brain glucose metabolism by 18F-FDG PET with real-time arterial and image-derived input function in mice. J Nucl Med. 54, 132-138 (2013).
  18. Tantawy, M. N., Peterson, T. E. Simplified [18F]FDG image-derived input function using the left ventricle, liver, and one venous blood sample. Molecular imaging. 9, 76-86 (2010).
  19. Thorn, S. L., et al. Repeatable noninvasive measurement of mouse myocardial glucose uptake with 18F-FDG: evaluation of tracer kinetics in a type 1 diabetes model. J Nucl Med. 54, 1637-1644 (2013).
  20. Wagner, R., Zimmer, G., Lacko, L. An interspecies approach to the investigation of the red cell membrane glucose transporter. Biochim Biophys Acta. 771, 99-102 (1984).
  21. Flores, J. E., McFarland, L. M., Vanderbilt, A., Ogasawara, A. K., Williams, S. P. The effects of anesthetic agent and carrier gas on blood glucose and tissue uptake in mice undergoing dynamic FDG-PET imaging: sevoflurane and isoflurane compared in air and in oxygen. Mol Imaging Biol. 10, 192-200 (2008).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

123FDGPETCT

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved