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Method Article
この原稿は、FDG-PET(定数注入およびボーラスプラス注入)のための2つの放射トレーサ投与プロトコルを記述し、それらをボーラス投与と比較する。16 s の時間的な解像度は、これらのプロトコルを使用して達成可能です。
機能性陽電子放射断層撮影(fPET)は、ヒト脳内の分子標的を追跡する方法を提供する。放射性標識されたブドウ糖アナログ、18F-フルオルデオキシグルコース(FDG-fPET)により、機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)に近づく時間分解能を用いてグルコース代謝のダイナミクスを測定できるようになりました。ブドウ糖取り込みのこの直接的な尺度は、正常および異常な脳機能を理解し、代謝および神経変性疾患の影響を調査するための巨大な可能性を有する。さらに、ハイブリッドMR-PETハードウェアの新たな進歩により、fMRIとFDG-fPETを用いてブドウ糖と血液酸素の変動を同時に捕捉することが可能になりました。
FDG-fPET イメージの時間分解能と信号対雑音は、放射光放射の管理に大きく依存します。この研究は、2つの代替連続注入プロトコルを提示し、従来のボーラスアプローチと比較します。血液サンプル、タイムロックPET、MRI、実験刺激を取得し、非伝統的なトレーサー送達を管理する方法を提示する。視覚刺激を用いて、プロトコル結果は、16sの時間分解能を持つ個々のレベルの外部刺激に対するグルコース応答の皮質マップを示す。
陽電子放射断層撮影(PET)は、臨床および研究の両方の設定で広く使用されている強力な分子イメージング技術です(最近の包括的なレビューについては、Heurling et al.1を参照)。PETを用いて画像化できる分子標的は、放射線トレーサーの入手可能性によってのみ制限され、神経代謝受容体、タンパク質、酵素2、3を画像化するために多数のトレーサーが開発されている。神経科学では、最も使用される放射線トレーサーの1つは、通常、脳ブドウ糖代謝の指標として解釈されるグルコース取り込みを測定する18F-フルオロデオキシグルコース(FDG-PET)である。人間の脳は、シナプス伝達6の間にニューロンによって使用される脳ブドウ糖代謝の4、5、および70-80%を満たすために、ブドウ糖の一定かつ信頼性の高い供給を必要とする。脳ブドウ糖代謝の変化は、精神医学的、神経変性、虚血状態7、8、9を含む多数の条件を開始し、寄与すると考えられている。さらに、FDG取り込みはシナプス活性10、11、12に比例するとして、より広く使用されている血液と比較して、より直接的で、より少ない神経活動の指標と考えられる。酸素化レベル依存性機能磁気共鳴イメージング(BOLD-fMRI)応答。BOLD-fMRIは神経活動の間接的な指標であり、神経活動後の神経血管変化のカスケードに続いて起こる脱酸素ヘモグロビンの変化を測定する。
人間の脳のほとんどのFDG-PET研究は、脳ブドウ糖取り込みの静的画像を取得します。参加者は暗い部屋で目を開けて10分間静かに休む。完全な放射線トレーサーの用量は、数秒の期間にわたってボーラスとして投与され、参加者はさらに30分間休息する。取り込み期間に続いて、参加者はPETスキャナの中央に配置され、取り込みおよびスキャン期間の過程で累積FDG分布を反映したPET画像が取得されます。したがって、PET画像によってインデックス化されたニューロン活動は、取り込みおよびスキャン期間に対する全ての認知活動の累積平均を表し、スキャン中の認知活動に特異的ではない。この方法は、脳と神経機能の脳代謝に大きな洞察を提供しています。.しかし、時間分解能はスキャン期間に等しい(多くの場合〜45分、効果的にグルコース取り込みの静的測定を生み出す;これは認知プロセスおよび神経イメージングにおける一般的な実験中の神経反応と比較して好ましくない。限られた時間的解決のために、この方法は、グルコース取り込みの非特異的な指標を提供し(すなわち、タスクや認知プロセスにロックされていない)、被験者内変動の尺度を提供することができず、誤った科学的結論につながる可能性があります。シンプソンのパラドックス13に.シンプソンのパラドックスは、被験者間で計算された脳行動関係が必ずしも被験者内でテストされた同じ関係を示すものではないシナリオである。さらに、FDG-PETに機能的な接続対策を適用する最近の試みは、被験者間の接続性のみを測定することができます。したがって、接続性の違いはグループ間でのみ比較でき、個々の被験者に対して計算することはできません。被験者間の接続性対策14は議論の余地があるが、被験者間で計算された測定は、疾患状態のバイオマーカーとして使用したり、個々の変動の原因を調べるために使用することはできないことは明らかである。
過去5年間で、臨床グレードの同時MRI-PETスキャナの開発とより広いアクセシビリティは、認知神経科学におけるFDG-PETイメージング2に対する新たな研究の関心を引き起こしました。これらの開発により、研究者はBold-fMRI(約0.5−2.5秒)の基準に近づくFDG-PETの時間分解能を改善することに焦点を当てています。BOLD-fMRIの空間分解能はサブミリメートル解像度に近づくことができますが、FDG-PETの空間分解能は、ポジトロン範囲15により、基本的に最大値の約0.54mm全幅(FWHM)に制限されています。動的FDG-PET取得は、しばしば臨床的に使用され、ボーラス投与法を使用し、リストモードデータをビンに再構築する。ボーラス動的FDG-PET法は、約100sの一時的な分解能を提供します(例えば、Tomasi et al.16)。これは、静的なFDG-PETイメージングに比べて明らかに優れていますが、BOLD-fMRIに匹敵しません。さらに、FDGの血漿濃度はボーラスが投与された直後に減少するため、脳機能を検査する窓は限られている。
この実験ウィンドウを拡大するために、研究の一握り17、18、19、20、21は、以前にカーソン22によって提案された放射性トレーサー注入法を適応させ、 23.この方法では、「機能性FDG-PET」(FDG-f PET、BOLD-f MRIに類似)と記載されることがあり、ラジオトレーサは、PETスキャン全体(〜90分)の過程で一定の注入として投与される。注入プロトコルの目標は、時間の間にブドウ糖取り込みの動的変化を追跡するために、FDGの一定のプラズマ供給を維持することです。概念実証研究では、Villien et al.21は、一定の注入プロトコルと同時MRI/FDG-f PETを使用して、60sの時間分解能を持つチェッカーボード刺激に応答してグルコース取り込みの動的変化を示しました。その後の研究では、この方法を使用して、タスクロックされたFDG-f PET(すなわち、外部刺激19にタイムロック)とタスク関連のFDG-f PET(すなわち、外部刺激17に時間ロックされていない)を示しました。18)グルコース取り込み。これらの方法を用いて、60sのFDG-f PET時間分解能が得られており、これはボーラス法に対する実質的な改善である。予備データは、注入方法が20−60 s19の時間的分解能を提供できることを示している。
定一注入法からの有望な結果にもかかわらず、これらの研究の血漿放射能曲線は、注入方法が90分スキャン19、21の時間枠内で定常状態に達するのに十分ではないことを示している。一定の注入手順に加えて、Carson22はまた、スキャンの開始時に速やかに平衡に達し、その後、平衡で血漿放射能レベルを維持することを目標とするハイブリッドボーラス/注入手順を提案した。スキャンの期間。Rischka et al.20は最近、20%のボーラスプラス80%の注入を使用して、この技術を適用しました。予想通り、動脈入力機能は、注入のみの手順19、21を使用した結果と比較して、ベースラインレベルを上回り、より長い時間、より高い速度で持続した。
本論文では、輸液のみおよびボーラス/輸液放射レーサー投与を用いて高時間分解能FDG-f PETスキャンを取得するための取得プロトコルについて述べた。これらのプロトコルは90−95分の集録時間19との同時MRI-PET環境の使用のために開発された。プロトコルでは、血液サンプルは、PET画像の後続の定量化のための血漿血清放射能を定量するために採取される。プロトコルの焦点は、BOLD-f MRI/FDG-f PETを用いて機能性神経イメージングのための注入方法の適用であるが、これらの方法は、同時MRI、BOLD-fの有無にかかわらず、任意のFDG-f PET研究に適用することができる。MRI、コンピュータ断層撮影(CT)、または他の神経画像が取得される。図 1は、このプロトコルの手順のフローチャートを示しています。
このプロトコルは、人間研究における倫理的行動に関するオーストラリア国家声明24に従って、モナッシュ大学人間研究倫理委員会(承認番号CF16/1108 - 2016000590)によってレビューされ、承認されています。手順は、認定医学物理学者、核医学技術者、および臨床レントゲン写真家の指導の下で開発されました。研究者は、人間の電化放射線の管理のための地元の専門家やガイドラインを参照する必要があります。
1. 必要な機器と人員
2. 準備
3. 参加者をスキャンする
スタディ固有の方法
ここでは、代表的な結果に関する研究固有の詳細を報告する。これらの詳細は手順にとって重要ではなく、研究によって異なります。
参加者とタスク設計
参加者(n=3、表2)は、同時BOLD-fMRI/FDG-f PET試験を受けた。この原稿はPET取得プロトコルに焦?...
FDG-PETは、脳ブドウ糖代謝の指標であるグルコース取り込みを測定する強力なイメージング技術です。現在までに、FDG-PETを使用したほとんどの神経科学研究は、スキャン2の過程ですべての代謝活性の不可欠を表す静的画像分解能を用いた従来のボーラス投与アプローチを使用する。この原稿は、注入のみ(例えば、Villien et al.、Jamadar et al.19,21)および
著者は利益相反を宣言しない。資金源は、データの設計、収集、分析、および解釈には関与しませんでした。
ジャマダールは、オーストラリア研究評議会(ARC)ディスカバリー・アーリー・キャリア・リサーチャー・アワード(DECRA DE150100406)の支援を受けています。ジャマダール、ウォード、イーガンは、統合脳機能のためのARCセンター(CE114100007)によってサポートされています。チェンとリーは、レインウッド文化財団からの資金援助を受けています。
ジャマダール、ウォード、キャリー、マッキンタイアがプロトコルを設計しました。キャリー、マッキンタイア、ササン、ファロンがデータを収集した。ジャマダール、ウォード、パークス、ササンがデータを分析した。ジャマダール、ウォード、キャリー、マッキンタイアは原稿の最初の草稿を書いた。すべての著者は、最終版をレビューし、承認しました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Blood Collection Equipment | |||
--12-15 vacutainers | Becton Dickinson, NJ USA | 364880 | Remain in sterile packaging until required to put blood in tube |
--12-15 10mL LH blood collecting tubes | Becton Dickinson | 367526 | Marked with the sample number (e.g., S1, S2…) and subsequently marked with the sample time (e.g., time 0 + x min [T0+x]) |
--2-15 10mL Terumo syringe | Terumo Tokyo, Japan | SS+10L | These are drawn up on the day of the study and capped with the ampoule that contained the saline |
-- pre-drawn 0.9% saline flushes | Pfizer, NY, USA | 61039117 | |
--12-15 5mL Terumo syringes | Terumo Tokyo, Japan | SS+05S | Remain in sterile packaging until ready to withdraw a blood sample |
Safety & Waste Equipment | All objects arranged on a plastic chair inside the scanner room on the same side as the arm from which the blood samples will be taken. Biohazard and non-biohazard waste bags to be used. Gloves and waste bags to be easily accessible when preparing the radioactivity in the dispensing area and when pipetting the plasma samples. Biohazard and non-biohazard waste bags to be used. All waste generated is checked with the Geiger counter to ensure that radioactive contaminated waste is stored until it is safe to be disposed of according to Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (APRANSA) guidelines for Radiation protection series No.6 (2017). | ||
-- Gloves | Westlab, VIC, Australia | 663-219 | |
-- waste bags | Austar Packaging, VIC, Australia | YIW6090 | |
--cello underpads ‘blueys’ Underpads 5 Ply | Halyard Health, NSW, Australia | 2765A | |
--Blue Sharpie pen | Sharpie, TN, USA | S30063 | |
Dose Syringes | Remain in sterile packaging until ready for use. All syringes used in this facility have an additional 20% volume capacity above the stated volume on the packaging. This is important for the 50mL syringe where the total capacity of 60mL is used | ||
--5mL | Terumo Tokyo, Japan | SS+05S | |
-- 20mL | Terumo Tokyo, Japan | SS+20L | |
--50mL | Terumo Tokyo, Japan | SS*50LE | |
--1 Terumo 18-gauge needle | Terumo Tokyo, Japan | NN+1838R | Remain in sterile packaging until ready to inject [18F]FDG into the saline bag |
--100mL 0.9% saline bag | Baxter Pharmaceutical, IL, USA | AHB1307 | Remain in sterile packaging until ready to inject [18F]FDG |
Radiochemistry Lab Supplies | |||
--Heraeus Megafuge 16 centrifuge; Rotor Bioshield 720 | ThermoScientific MA, USA | 75004230 | Relative Centrifugal Force = 724 Our settings are 2000RPM for 5mins. Acceleration and deceleration curves set to 8 |
--Single well counter | Laboratory Technologies, Inc. IL, USA | 630-365-1000 | Complete daily quality control (includes background count) and protocol set to 18F and 4mins. Cross calibration is performed between the well counter, dose calibrator and scanner on a bi-monthly basis. |
--Pipette | ISG Xacto, Vienna, Austria | LI10434 | We use a 100-1000 μL set to 1000μL. It is calibrated annually. |
--12-15 plasma counting tubes | Techno PLAS; SA Australia | P10316SU | Marked in the same manner as the LH blood tubes |
--12-15 pipette tips | Expell Capp, Denmark | 5130140-1 | |
--3 test tube racks | Generic | Checked with a Geiger counter to ensure there is no radiation contamination on them | |
--500mL volumetric flask and distilled water | Generic | Need approximately 500mL of distilled water to prepare the reference for gamma counting | |
--Synchronised clocks in scanner room, console and radiochemistry lab | Generic | Synchronisation checks are routinely completed in the facility on a weekly basis | |
--Haemoglobin Monitor | EKF Diagnostic Cardiff, UK Haemo Control. | 3000-0810-6801 | Manufacturer recommended quality control performed before testing on participant’s blood sample. |
--Glucometre | Roche Accu-Chek | 6870252001 | Accu-Chek Performa is used to measure participant blood sugar levels in mmol/L. Quality control is performed daily using high and low concentration solution control test. |
Cannulating Equipment | Check expiry dates and train NMT to prepare aseptically for cannulation. | ||
--Regulation tourniquet | CBC Classic Kimetec GmBH | K5020 | |
--20, 22 and 24 gauge cannulas | Braun, Melsungen Germany | 4251644-03; 4251628-03; 4251601-03 | |
--tegaderm dressings | 3M, MN USA | 1624W | |
--alcohol and chlorhexidine swabs | Reynard Health Supplies, NSW Australia | RHS408 | |
--0.9% saline 10mL ampoules; for flushes | Pfizer, NY, USA | 61039117 | |
--10mL syringes | Terumo Tokyo, Japan | SS+10L | |
--3-way tap | Becton Dickinson Connecta | 394600 | |
--IV bung | Safsite Braun PA USA | 415068 | |
--Optional extension tube, microbore extension set | M Devices, Denmark | IV054000 | |
Scanner Room Equipment | |||
--Siemens Biograph 3T mMR | Siemens, Erlangen, Germany | ||
--Portable lead barrier shield | Gammasonics | Custom-built | MR-conditional lead barrier shield. Positioned at the 2000 Gauss line with the castors locked to provide additional shielding of the radioactivity connected to the infusion pump. |
--Infusion pump BodyGuard 323 MR-conditional infusion pump | Caesarea Medical Electronics | 300-040XP | MR-compatible. This model is cleared for use on 1.5 and 3T scanners at 2000 Gauss with castors locked. |
--Infusion pump tubing | Caesarea Medical Electronics | 100-163X2YNKS | Tubing is administration set with an anti-siphon valve and male luer lock (REF 100-163X2YNKS). |
--Lead bricks | Custom built | Tested for ferromagnetic translational force | |
Other Equipment | |||
--Syringe shields | Biodex, NY USA | Custom-built | There is a 5mL tungsten syringe shield that is MR-safe, as well as a 50mL lead shield that has been tested for ferromagnetic attraction prior to use in the MR-PET scanner. It is used to transport the radioactive dose from the radiochemistry lab into the scanner to minimise radiation exposure to the NMT. |
--Geiger counter Model 26-1 Integrated Frisker | Ludlum Measurements, Inc. TX USA | 48-4007 | This is calibrated annually and used to monitor potential contamination and waste. It is not taken into the MR-PET scanner. |
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