Tomografia ad emissione di positroni con 64-rame come tracciante per lo studio dei disturbi correlati al rame

Riepilogo

Il presente protocollo descrive come eseguire l'imaging ⁶⁴Cu PET / CT e PET / MRI nell'uomo per studiare i disturbi correlati al rame, come la malattia di Wilson e l'effetto del trattamento sul metabolismo del rame.

Abstract

Il rame è un oligoelemento essenziale, funzionante nella catalisi e nella segnalazione nei sistemi biologici. Il rame radiomarcato è stato utilizzato per decenni nello studio del metabolismo del rame umano e animale di base e dei disturbi correlati al rame, come la malattia di Wilson (WD) e la malattia di Menke. Una recente aggiunta a questo toolkit è la tomografia ad emissione di positroni (PET) in rame 64 (64 Cu), che combina l'accurata imaging anatomico dei moderni scanner di tomografia computerizzata (TC) o risonanza magnetica (MRI) con la biodistribuzione del segnale tracciante ^{PET da 64}Cu. Ciò consente il monitoraggio in vivo dei flussi e della cinetica del rame, visualizzando così direttamente il traffico e il metabolismo degli organi di rame umani e animali. Di conseguenza, la ^{PET 64}Cu è adatta per valutare gli effetti clinici e preclinici del trattamento e ha già dimostrato la capacità di diagnosticare con precisione la WD. Inoltre, ⁶⁴studi Cu PET / CT si sono dimostrati preziosi in altre aree scientifiche come la ricerca sul cancro e sull'ictus. Il presente articolo mostra come eseguire ⁶⁴Cu PET / CT o PET / MR nell'uomo. Le procedure per la manipolazione ^{di 64}Cu, la preparazione del paziente e la configurazione dello scanner sono illustrate qui.

Introduzione

Il rame è un cofattore catalitico vitale che guida molteplici importanti processi biochimici essenziali per la vita e i difetti nell'omeostasi del rame sono direttamente responsabili delle malattie umane. Le mutazioni nei geni ATP7A o ATP7B, che codificano per le ATPasi trasportatrici del rame, causano rispettivamente le malattie di Menke e Wilson. La malattia di Menke (ATP7A) è una rara malattia letale dell'iperaccumulo intestinale di rame con grave carenza di rame nei tessuti periferici e deficit negli enzimi rame-dipendenti¹. La malattia di Wilson (WD) (ATP7B) è una malattia rara caratterizzata dall'incapacità di espellere l'eccesso di rame nella bile, con conseguente sovraccarico di rame e conseguente danno d'organo, che colpisce più gravemente il fegato e il cervello².

Gli studi sul metabolismo del rame hanno utilizzato rame radiomarcato (di solito 64-rame [⁶⁴Cu] o 67-rame) per decenni, e questi studi si sono dimostrati preziosi per la nostra comprensione del metabolismo del rame dei mammiferi, compreso il sito di assorbimento e le vie di escrezione 3,4,5,6. In precedenza, i contatori gamma venivano utilizzati per rilevare il segnale radioattivo con una risoluzione anatomica limitata, ma recentemente è stata introdotta la tomografia ad emissione di positroni (PET) ^{a 64}Cu combinata con la tomografia computerizzata (TC) o la risonanza magnetica (MRI) negli studi sia sull'uomo che sugli animali. Oggi, gli scanner PET hanno una sensibilità così elevata che è possibile tracciare ⁶⁴Cu fino a 70 ore dopo l'iniezione. La lunga emivita di 12,7 h per ⁶⁴Cu consente la valutazione a lungo termine dei flussi di rame. Questo miglioramento nella risoluzione è appena entrato nel campo degli studi sul rame e stanno iniziando ad emergere studi sul metabolismo del rame normale e patologico, nonché studi che valutano l'impatto di trattamenti specifici. Inoltre, l'introduzione di scanner PET per tutto il corpo con un campo visivo esteso migliorerà ulteriormente la sensibilità di questi esami.

Questo documento metodologico mira a consentire a medici e scienziati di aggiungere ⁶⁴Cu PET CT / MRI al repertorio esistente di strumenti come metodo robusto e facile da usare per valutare il metabolismo del rame in modo comparabile tra i dipartimenti di medicina nucleare. La produzione di ^{rame 64}Cu può essere effettuata utilizzando diversi metodi e di solito viene eseguita in strutture speciali. Tra le reazioni nucleari, il metodo 64 Ni (p, n) 64 Cu è ampiamente utilizzato, poiché un'alta resa di produzione di ⁶⁴Cu può essere ottenuta con protoni a bassa energia in questa via ^7,8. Una descrizione dettagliata dei metodi di produzione è fuori dallo scopo di questo lavoro e la disponibilità varierà in base al paese e alla regione.

In questo articolo, descriviamo prima la preparazione della radiochimica necessaria e del tracciante. Quindi, vengono dimostrati i principi per la preparazione degli scanner PET/CT o PET/MRI.

Protocollo

Alcuni studi clinici che utilizzano questo protocollo ⁶⁴Cu PET / CT o PET / MRI sono stati approvati dal Comitato etico regionale della regione Midt, Danimarca [1-10-72-196-16 (EudraCT 2016-001975-59), 1-10-72-41-19 (EudraCT 2019-000905-57), 1-10-72-343-20 (EudraCT 2020-005832-31), 1-10-72-25-21 (EudraCT 2021-000102-25) e 1-10-72-15-22 (EudraCT 2021-005464-21)]. Il consenso informato scritto è stato ottenuto dai partecipanti al momento dell'iscrizione. I criteri di inclusione per tutti i partecipanti erano di età >18 anni e per le donne l'uso di contraccezione sicura. I criteri di esclusione per i pazienti con malattia di Wilson erano la cirrosi scompensata, un punteggio MELD (Model for End-stage Liver Disease) >11 o un punteggio Nazer modificato >6. I criteri di esclusione per tutti i partecipanti erano un'ipersensibilità nota a ⁶⁴Cu o ad altri ingredienti nella formula tracciante, gravidanza, allattamento al seno o desiderio di rimanere incinta prima della fine dello studio.

1. Preparazione di ⁶⁴CuCl₂

1. Sciogliere il solido ⁶⁴CuCl₂ in acido cloridrico (0,1 M) e aggiungere tampone di acetato di sodio (0,5 M) per aumentare il pH a ~5. Formulare con soluzione salina e filtro sterilizzare la soluzione facendola passare attraverso un filtro da 0,22 μm (vedi Tabella dei materiali).
   NOTA: Il tampone di acetato di sodio (0,5 M) è prodotto da acetato di sodio triidrato e acqua sterile che viene fatta passare attraverso un filtro sterilizzante da 0,22 μm.
2. Per il controllo di qualità della soluzione ⁶⁴CuCl₂ prodotta, eseguire la misurazione del pH, il test delle endotossine batteriche, la determinazione della purezza radiochimica e l'identificazione radionuclidica ^7,8.
3. Conservare il prodotto in un contenitore di piombo a temperatura ambiente e tenerlo in quarantena fino a quando tutte le specifiche di controllo qualità non sono state soddisfatte in modo soddisfacente.
   NOTA: Per il presente studio, ⁶⁴CuCl₂ sono stati prodotti con una purezza radionuclidica ≥99% e una purezza radiochimica ≥95%. Il solido ⁶⁴CuCl₂, utilizzato come materiale di partenza, è stato ottenuto da una fonte commerciale (vedi tabella dei materiali).

2. Preparazione dello scanner PET

1. Eseguire un controllo di qualità (QC)⁹ sullo scanner, seguendo il protocollo del produttore (vedere Tabella dei materiali).
   NOTA: i QC devono essere eseguiti quotidianamente al mattino prima delle scansioni del paziente.

3. Prelievo del tracciante per iniezione endovenosa (IV) e per somministrazione orale (PO)

1. Indossare guanti di plastica e rimuovere il coperchio dal contenitore di piombo.
2. Utilizzare pinzette lunghe per disinfettare la membrana di gomma della bottiglia di vetro contenente tracciante all'interno del contenitore di piombo con un tampone disinfettante.
3. Utilizzare una pinzetta per inserire una cannula corta (~ 0,5 mm x 16 mm) nella membrana per evitare fuoriuscite dal vuoto all'interno della bottiglia.
4. Usa una pinzetta per inserire una cannula più lunga da cui attingere. Questa cannula dovrebbe essere abbastanza lunga da raggiungere il fondo della bottiglia (di solito 50 mm).
5. Assicurarsi che il calibratore di dose (vedere Tabella dei materiali) sia calibrato per ⁶⁴Cu. Calcolare un volume approssimativo da prelevare per la prima estrazione.
   NOTA: Dai rapporti di controllo della qualità chimica, la quantità di attività e il volume del liquido saranno disponibili, consentendo il calcolo di un volume approssimativo da prelevare.
6. Indossare guanti di plastica, inserire una siringa di plastica di dimensioni appropriate nella cannula lunga e prelevare il volume calcolato. Questo volume dipenderà dalla concentrazione di 64 Cu nel prodotto e dalla quantità di ⁶⁴Cu decisa per il protocollo (vedere Calcolo della dose sotto i risultati rappresentativi).
7. Utilizzare una pinzetta per tenere la cannula mentre si sposta la siringa sul calibratore della dose per misurare la radioattività.
8. Continuare a disegnare fino a raggiungere la quantità di radioattività appropriata. Circa il 5% del tracciante rimarrà nella siringa e nella cannula dopo l'iniezione.
   NOTA: Il ⁶⁴Cu non deve essere diluito in acqua salata, poiché il tracciante potrebbe precipitare. Pertanto, la siringa non può essere risciacquata con acqua salina dopo l'iniezione (questo non è rilevante per la somministrazione di PO).
9. Con le pinzette, applicare una cannula con un cappuccio (~16 mm di cannula) per chiudere la siringa e conservarla in un contenitore di piombo fino all'applicazione.

4. Applicazione del tracciante

1. Iniezione endovenosa
   1. Inserire una cannula endovenosa (~22 G, 25 mm), preferibilmente in una vena cubitale, e risciacquare con acqua salina per garantire il corretto posizionamento.
      NOTA: deve essere disponibile un foglio di lavoro con il nome del partecipante, un timbro o una firma per il rilascio del controllo qualità del tracciante, nonché punti temporali e radioattività per il disegno, l'iniezione e il tracciante rimanente.
   2. Misurare la radioattività nella siringa utilizzando il calibratore di dose disponibile e annotare il tempo e l'attività sul foglio di lavoro.
   3. Trasportare la siringa in un contenitore di piombo al letto del partecipante.
   4. Se si verifica una fuoriuscita dall'iniezione, posizionare un tovagliolo sotto il gomito del partecipante in modo che la radioattività versata possa essere misurata.
   5. Con una pinzetta, rimuovere il cappuccio/cannula dalla siringa e, con guanti di plastica, collegare la siringa all'accesso IV. Annotare l'ora sul foglio di lavoro e iniettare in un movimento costante.
      NOTA: Come accennato in precedenza, la siringa non deve essere risciacquata con soluzione salina poiché il tracciante potrebbe precipitare.
   6. Rimuovere la siringa dall'accesso IV, indossare il cappuccio/cannula e, se necessario, metterla nel contenitore di piombo con il tovagliolo.
   7. Risciacquare l'accesso IV con acqua salina.
   8. Annotare il tempo e la radioattività residua nella siringa sul foglio di lavoro.
      NOTA: L'attività iniettata viene calcolata come differenza tra l'attività della siringa prima e dopo l'iniezione, ma utilizzando il protocollo di scansione PET per correggere il decadimento. Pertanto, tutti e tre i punti temporali (misurazioni di prelievo, iniezione e avanzi) e la radioattività misurata al prelievo e le misurazioni rimanenti vengono inseriti nel protocollo di scansione PET quando il partecipante viene scansionato (vedere il passaggio 5).
   9. Smaltire il materiale residuo in modo appropriato, secondo le norme di sicurezza istituzionali.
   10. Rimuovere l'accesso IV. In caso di reazioni allergiche, lasciare l'accesso IV per 30 minuti.
2. Somministrazione orale
   NOTA: deve essere disponibile un foglio di lavoro con il nome del partecipante, un timbro o una firma per il rilascio del controllo qualità del tracciante e punti temporali e radioattività per il disegno, l'amministrazione e il tracciante rimanente.
   1. In un bicchiere di plastica usa e getta e morbido, versare circa 100 ml di acqua o cordiale; il ⁶⁴Cu è insapore. Dovrebbero essere disponibili una cannuccia di plastica usa e getta e un piccolo sacchetto di plastica usa e getta.
   2. Misurare la radioattività nella siringa utilizzando il calibratore di dose disponibile e annotare il tempo e l'attività sul foglio di lavoro.
   3. Trasportare la siringa in un contenitore di piombo al letto del partecipante. Il partecipante deve essere seduto su un letto o una sedia.
   4. Rimuovere il cappuccio/cannula dalla siringa con una pinzetta e, indossando guanti di plastica, iniettare il tracciante nella tazza, facendo attenzione a non versarne alcuno. Aspirare un po' di acqua/cordiale e iniettarlo nuovamente nella tazza.
   5. Metti una cannuccia di plastica nella tazza (questo per ridurre al minimo il rischio di fuoriuscita quando il partecipante beve).
   6. Annotare l'ora sul foglio di lavoro e lasciare che il partecipante beva. La tazza dovrebbe essere il più vuota possibile.
   7. Mettere la tazza vuota e la cannuccia nel sacchetto di plastica usa e getta con la siringa vuota e metterli nel contenitore di piombo.
   8. Annotare il tempo e misurare la radioattività residua nella siringa. Nota nel foglio di lavoro.
      NOTA: L'attività iniettata viene calcolata come differenza tra l'attività della siringa prima e dopo l'iniezione, ma utilizzando il protocollo di scansione PET per correggere il decadimento.
Pertanto, tutti e tre i punti temporali (misure di prelievo, iniezione e avanzi) e la radioattività misurata al prelievo e la misurazione rimanente vengono inseriti nel protocollo di scansione PET quando il partecipante viene scansionato (vedi Scansione).
3. Smaltire il materiale residuo in modo appropriato, secondo le norme di sicurezza istituzionali.
   NOTA: Osservare il partecipante per reazioni allergiche acute per 30 minuti dopo l'assunzione può essere appropriato.

5. Scansioni PET

1. Posizionare il partecipante in posizione supina nello scanner.
2. Eseguire una scansione TC o RM panoramica per pianificare la regione specifica da esaminare durante la scansione PET.
3. Annotare il tempo di prelievo, iniezione e misurazione rimanente, nonché la radioattività al prelievo e la misurazione rimanente nel protocollo PET.
4. Eseguire la scansione PET seguendo i passaggi seguenti.
   NOTA: Il protocollo di scansione PET deve essere standardizzato per quanto riguarda la durata della scansione e i parametri di ricostruzione dell'immagine per tutti i partecipanti allo stesso studio; I rapporti pubblicati devono essere seguiti^10,11,12.
   1. Eseguire scansioni PET statiche con un tempo di scansione di 4,5 min/posizione del letto fino a 24 ore dopo la somministrazione del tracciante e 10 min/posizione del letto fino a 68 ore dopo la somministrazione del tracciante (per ulteriori approfondimenti, vedere Scansione sotto i risultati rappresentativi).
      NOTA: Durante la scansione PET dinamica, il decadimento viene registrato continuamente e successivamente segmentato in una struttura a telaio. Ciò consente di selezionare fotogrammi da brevi intervalli di tempo per enfatizzare la dinamica della distribuzione ^{a 64}Cu e fotogrammi da intervalli di tempo più lunghi per dare priorità alla sensibilità. Tipicamente, intervalli più brevi vengono selezionati subito dopo l'iniezione e gradualmente aumentati successivamente¹⁰.

6. Ricostruzione dell'immagine

1. Ricostruisci le immagini utilizzando le migliori correzioni disponibili per attenuazione, dispersione, tempo di volo e funzione di diffusione del punto.
   NOTA: i parametri di ricostruzione dell'immagine devono essere accuratamente selezionati per ottimizzare le proprietà dell'immagine, come il recupero del segnale e il rapporto segnale-rumore. Per gli studi multicentrici, è fondamentale standardizzare la qualità dell'immagine tra i centri.

7. Analisi dei dati

NOTA: Il presente studio descrive un metodo semplice per quantificare il contenuto ^{di 64}Cu nel fegato. Il segnale PET viene misurato come valore di assorbimento standard (SUV), la concentrazione di radioattività tissutale regolata per l'attività iniettata in peso del partecipante e/o kilobecquerel (kBq) per mL di tessuto.

1. Scarica i dati su un programma adatto, ad esempio i file Dicom, in PMOD.
   NOTA: Esistono probabilmente molti programmi diversi per analizzare le immagini PET, come Hermes o PMOD (vedere Tabella dei materiali).
2. Regolare i toni di scansione CT / MR per differenziare le strutture anatomiche.
3. Assicurarsi che la scansione anatomica e la scansione PET siano sovrapposte.
4. Lavorando sul piano orizzontale con la migliore risonanza magnetica o TC, localizzare il fegato e le grandi strutture.
5. Posizionare un volume di interesse appropriato (VOI) o più VOI nel fegato.
   NOTA: Un VOI è un'area definita di tessuto in cui viene misurato il SUV. Un VOI è costituito da più regioni di interesse (ROI), che sono aree di tessuto in un piano. Molti programmi hanno VOI sferici come preimpostazione, il che significa che non è necessario disegnare più ROI (uno in ogni piano) per costituire un VOI. Il lobo epatico destro tende ad essere più omogeneo e quindi una buona posizione per posizionare i VOI.
6. Posizionare più VOI nel lobo epatico destro su diversi piani orizzontali per ottenere la misura più precisa dell'attività, poiché il SUV può variare leggermente (~ 5%) nel lobo epatico destro. Calcola il SUV medio di questi VOI.
7. Per quantificare il SUV, ad esempio, nell'intero fegato, disegnare ROI che coprono l'intero volume del fegato in ciascun piano per studi di dosimetria.
   NOTA: Evitare grandi strutture come arterie e vene quando si utilizza questo metodo.

Risultati

Calcolo della dose
Sulla base dei calcoli dosimetrici, la dose efficace di radioattività per la somministrazione endovenosa è 62 ± 5 μSv/MBq tracciante¹⁰. Pertanto, si raccomanda una dose di 50 MBq a seconda del periodo di tempo. Fino a 75-80 MBq è applicabile per esami più lunghi e fornisce immagini di buona qualità senza superare una dose eticamente approvata. La dose efficace per la somministrazione orale è 113 ± 1 μSv/MBq tracciante, a causa dell'accumulo intestin...

Discussione

Il metodo è come qualsiasi altro metodo PET, ma la lunga emivita di 12,7 ore offre l'opportunità di studiare i flussi di rame a lungo termine (abbiamo buoni risultati fino a 68 ore dopo l'iniezione di tracciante IV). Tutte le fasi del protocollo devono essere gestite da personale che ha familiarità con la PET, sebbene non siano più critiche di qualsiasi altro esame PET.

Risoluzione dei problemi
Poiché spesso utilizziamo ⁶⁴Cu per indagini a lungo termine, il ...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.22 micrometer sterilizing filter	Merck Life Science
Cannula 21 G 50 mm	BD Microlance	301155
Cannula 25 G 16 mm	BD Microlance	300600
Dose calibrator	Capintec CRC-PC calibrator
PET/CT scanner	Siemens: Biograph
PET/MR scanner	GE Signa
PMOD version 4.0	PMOD Technologies LLC
Saline solution 0.9% NaCl	Fresenius Kabi
Sodium acetate trihydrate BioUltra	Sigma Aldrich	71188
Solid 64CuCl2	Danish Technical University Risø
Sterile water	Fresenius Kabi
Venflon 22 G 25 mm	BD Venflon Pro Safety	393280