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要約

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.

要約

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.

概要

本研究の目的は、 インビボで 、マウスにおける特定の組織への血流からのグルコースのリアルタイム取り込みを定量化するために陽電子放射断層撮影/コンピュータ断層撮影法（PET / CT）ベースの方法を開発することでした。これは、細胞内の空間にプラズマから18 F-FDGの取り込みの速度を推定するために、細胞内空間からプラズマへの輸送の速度との速度のグルコース取り込みおよび動態モデリングを測定するための18 F標識フルオロデオキシグルコース（FDG）を使用して達成されました18 F-FDGのリン酸化。

げっ歯類では、18 F-FDGは、多くの癌治療1、腫瘍の進行2および腫瘍代謝3の研究だけでなく、褐色脂肪デポ4、神経炎症5と脳代謝6のイメージングの前臨床評価に使用されてきました。

マウス（およびラット）におけるグルコースの組織特異的取り込みを調べるために使用される伝統的な方法は、一般に各組織7における放射能の安楽死、組織収集および測定した3 Hまたは14 Cのいずれかと2-デオキシグルコースの放射性標識を用いた治療を含みます。 PET / CTの使用は、生きた動物で、同時に複数の臓器や地域におけるグルコース取り込みと代謝の非侵襲的な決意することができます。安楽死が必要条件ではないように、さらに、この技術は、長手方向の研究で使用するのに適しています。

2型糖尿病（T2DM）は破壊グルコース代謝およびインスリンに対する減少組織応答に二次高血糖症（インスリン抵抗性）およびインスリン8の十分な量を生成するために、膵臓β細胞のできないことを特徴とします。グルコース取り込みと代謝の動態解析は重要な洞察を提供することができます治療的介入の作用及び効果の機構、ならびに、疾患の進行の高度な監視を可能にします。

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プロトコル

すべてこの研究で説明する手順シドニー現地保健地区、シドニーの動物倫理委員会の大学によって承認され、 実験動物の管理と使用のための NIH ガイドに従った、第8版（2011年）。

1.動物の準備

注：このプロトコル雄のdb / dbマウス（BKS.Cg- Dock7 M + / + Lepr のdb / J）で6週齢まで固形飼料および水を随意アクセスの群ハウジングに維持しました。撮影時には、マウスは〜30グラムの重量を量りました。このプロトコルで使用されるすべてのマウスは、10及び14ミリモル/ Lの空腹時血糖値ました。

  1. 必要な場合は、マウスを高速。本実施例では、実験手順の前に5時間マウスを絶食。
  2. 撮像の開始前に所望の薬剤（ 例えば 、薬物、タンパク質、ペプチド）を有するマウスを治療します。この例では、インスリンの皮下注射を投与（3U / kgのヒトインスリン）又は等量のPBS 30分前に撮影を開始します。

2.ワークフローを設定します

注：このプロトコルは、PET / CTスキャナーに実装されました。 CTデータの取得に続いて、最初のPETデータを取得します。

  1. PETの設定：
    1. 650 keVの（デフォルト）3.432 NS（デフォルト）の一致タイミングウィンドウで- 18 F、3,600秒に設定し、スキャン時間、及び350 keVのに上下のレベルのエネルギー弁別として同位体を選択します。トレーサー注入後60分 - 期間0 16のフレーム（6×10秒、4×60秒、1×300秒、5×600秒）にヒストグラムリストモードデータ。ズーム1.5で2D-FBPを用いてサイノグラム放射を再構成します。
      注：再構成画像16の動的フレーム、128×128×159ボクセルと0.52×0.52×0.796ミリメートル3のボクセルサイズを有する各々から成っていました。
  2. CTの設定：
    1. ために全身CTスキャン、500 A、50キロボルトの電圧、露光時間500ミリ秒と360回転にわたって200個の突起で電流を設定します。 （完全なPET視野範囲をカバーする）3にベッド位置の数、30722048に検出器の視野（FOV）を設定し、4にベッド= 30.234713%位置と検出器ビニング間で重複。
      注：CT再構成は、HU較正、バイリニア補間とシェップ - ローガンフィルタとコーン・ビーム断層撮影画像再構成ソフトウエアを用いて行きました。
  3. 18 F-FDG：
    1. 十分な18 F-FDGを注文（例えば、0.5 mLの450 MBqの）ローカルプロバイダからは、最初の注射の前に約30分に到着します。動物は、0.1 mLの最終体積で18 F-FDGの約10 MBqのを受け取ることができるように、18 F-FDGをアリコートし、希釈します。

3.イメージングプロトコル

  1. 無菌状態を維持するために、80％（v / v）のエタノールで誘導チャンバーおよびイメージングベッドを拭います。プラ誘導チャンバ内にマウスをCEおよび酸素中の5％イソフルランで麻酔。
  2. 1L / minの流量で - （2％メンテナンス、1.5）イソフルランを送達するために、体温を維持するために電気加熱パッド及び精度気化器のノーズコーンが取り付けられた撮影台上にマウスを置きます。麻酔下ながら乾燥を防ぐために、目に眼軟膏を適用します。
  3. 呼吸を監視し、麻酔の適切な面が維持されることを保証するために、センサパッド上に腹臥位にマウスを置き。
  4. 外側尾静脈を拡張するために2分 - 1ための熱パックを使用して、尾を温めます。外側尾静脈に、30ゲージの針を挿入することにより、外側尾静脈にカテーテルを挿入。手術用接着剤で所定の位置に針を固定し、カテーテルを固定します。
  5. 負荷イメージングは​​、スキャナにベッドとカテーテルが機械の後方からアクセスできるように、機械を介してベッドを移動させます。
  6. SYRでの18 F-FDGシリンジにカテーテルを取り付けインゲドライバー。注射して投与される体積（<100μL、10秒かけて注入）の前にシリンジ内のアクティビティに基づいて、正確な18 F-FDGの用量（10 MBqの）を計算します。
  7. グルコース取り込みの変動に対する麻酔の影響を最小限に抑えるために、麻酔の誘導および（例えば、30分）、18 F-FDGの注射の間に一定の時間を確保します。
  8. PETは、18 F-FDGの注射の直前にスキャン開始。 PETスキャン（3600秒）を終えた後、組織と放射性トレーサー取り込みの共同登録を可能にするためにCTスキャン（〜10分）を行います。
  9. 開始位置に撮影台を移動させる、床から動物を削除します。
  10. この時点で、動物を安楽死させるか、それが回復することができます：
    1. 安楽死のために、麻酔下でまだながら頸椎脱臼を行い、その後の分析のための関心の臓器を収集します。
    2. マウスが回復することができた場合は、加熱パッドの上に単一のハウジング内にマウスを置きますか、加熱ランプの正面です。それは胸骨横臥位を維持するのに十分な意識を取り戻したまでマウスを監視します。マウスは、グループハウジングに戻る前に1時間回復させます。

4. PET画像処理

注：画像の再構成は、研究職場ソフトウェアv4.2の中で取得職場ソフトウェアv1.5.0.28と分析を用いて行きました。

  1. CTとPET画像を同時登録及び位置合わせが全て3次元で正確であることを確認してください。
    1. 「ファイル」メニューでは、「フォルダの検索/インポート」を選択し、データを格納しているフォルダを選択します。希望PETとCTデータを選択し、「一般分析」タブをクリックします。
    2. ソートCRは、「ソースのデータを指定されているようにPETを「ターゲット」を指定されています。 「ワークフロー」メニューでは、「登録」を選択します。画像が正しく共同登録する調整が必要な場合は、番目のツールを使用E「登録」メニュー。
  2. 「ワークフロー」メニューでは、「ROI定量化」を選択します。
    1. 所望の領域の位置を特定するために「パン」と「画像」タブで「ズーム」機能を使用してください。 「ツール」メニューで、「作成」タブを選択し、絵筆のアイコンをクリックしてください。画像上にROIを描画
  3. 「保存」メニューから「保存ROI定量化」を選択することで、時間放射能曲線を抽出します。 CSVファイルとしてデータを保存します。
  4. 組織の1cm 3当たりベクレルなどの放射能の取り込みを定量化します。 CSVは、スプレッドシートにファイルをロードすることにより、1cm 3当たりの注射用量率（％ID / cm 3）との比率に値を変換します。

5.入力機能

  1. システムの点広がり関数を補正するために、以前に9に記載されているようreblurredヴァンCittertデコンボリューション法を用いて5回の反復の推定システムのPSFをデコンボリューション。
    注：これが原因マウスにおけるヴェナ・キャバの小さなサイズに必要とされます。
  2. 上述したように、血液入力関数の時間 - 活性曲線を生成するために、ポストデコンボリューション画像を使用します。

6.キネティックモデル

注：FDG二組織コンパートメントモデル（ 図1）血漿入力関数を必要とします。

  1. Input_plasma = Input_blood×（ - 0.191トン + 1.165 0.386 E）：以下の式10を用いてプラズマ入力機能にCSVファイル内の血液入力関数を変換します。
  2. 運動モデリングツールでは「キネティック」ボタンをクリックしてください。組織および血漿総活性は、「メニュー」から「ロード時間の活性曲線」を選択することで、運動モデリングツールにCSVファイルをインポート数えます。
  3. 「モデル」メニューでは2つの組織区画を選択します。 K4の隣のボックスが選択されていないことを確認してくださいそして、VB（血液体積分率）のためのチェックボックスをオフにし、2％の値を入力し、初期フィッティングについては0の値を入力します。
  4. 「フィット現在の領域]をクリックします。分散11、12の対象の抽出された領域を修正します。異なる分散時間のためのFDGモデルのカイ二乗値を最小化することによって、これを達成。
  5. 地域の速度定数（k 1 -k 3）を計算するためにフローティングのVBの値（次のVBのためのボックスにチェックボックス）と最適化された分散値を用いて第2の適合を行います。 K iは =（K 1×K 3）/（K 2 + K 3）のような一定の地域の流入を計算します。

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結果

我々は以前グルコース取り込みおよび代謝13の動力学にプラズマアポA-Iレベルの増加の影響を調査するために、db / dbマウスモデルを使用していました。本研究では、リアルタイムでの腓腹筋にプラズマからの18 F-FDGの取り込みを監視するためにPET / CTイメージングの有用性を実証するために、インスリンで処置したdb / dbマウスを使用しました...

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ディスカッション

ここで説明するプロトコルは、組織及びマウスにおける後続の代謝への血流からのグルコース取り込みの動態を決定するために、堅牢な非侵襲的方法を表します。

DB / dbマウスは、インスリン抵抗性と関連する介入を調べるために広く使用されている2型糖尿病14の十分に確立された動物モデルです。しかし、以前の研究では唯一の心15?...

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開示事項

The authors have nothing to disclose.

謝辞

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.

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資料

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

参考文献

  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).
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123 FDG PET CT

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