Radiation Oncology (London, England), 2006; 1: 3-3 (más artículos en esta revista)

La influencia de la oxigenación del tumor, el 18 F-FDG (Flúor-18 Deoxyglucose) absorción: Un estudio del ratón utilizando tomografía por emisión de positrones (PET)

BioMed Central
Linda W Chan (lchan136@yahoo.com) [1], Sebastien Hapdey (Sebastien.Hapdey @ rouen.fnclcc.fr) [2], Sean Inglés (englishs@mail.nih.gov) [3], Jurgen Seidel (jurgen_seidel @ Verizon.net) [2], Joann Carson (jcarson@cc.nih.gov) [2], Anastasia L Sowers (stasia@box-s.nih.gov) [3], Murali C Krishna (murali @ hélice. Nih.gov) [3], Michael V Verde (greengang@pop.mail.rcn.net) [2], James Mitchell B (jbm@helix.nih.gov) [3], Stephen L Bacharach (steve.bacharach @ Radiology.ucsf.edu) [2]
[1] Subdivisión de la Radiación de Oncología, Centro de Investigación del Cáncer, Instituto Nacional del Cáncer, Institutos Nacionales de Salud, Departamento de Salud y Servicios Humanos, Bethesda, MD, EE.UU.
[2] Departamento de Medicina Nuclear, Clínica Center, National Institutes of Health, Bethesda, MD, EE.UU.
[3] Biología de la Subdivisión de las Radiaciones, Centro de Investigación del Cáncer, Instituto Nacional del Cáncer, Institutos Nacionales de Salud, Departamento de Salud y Servicios Humanos, Bethesda, MD, EE.UU.

Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0], que permite el uso irrestricto, la distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que la obra original sea debidamente citada.

Resumen
Antecedentes

Este estudio investigó si la modificación de un tumor de la oxigenación se altera el metabolismo del tumor, y por lo tanto la captación de 18 F-FDG (flúor-18 deoxyglucose), un marcador para el metabolismo de la glucosa mediante tomografía por emisión de positrones (PET).

Resultados

Tumor-teniendo ratones (carcinoma de células escamosas) mantiene a 37 ° C mientras que se estudia la respiración normal, ya sea aéreo o carbogen (95% O 2, 5% CO 2), sabe que los tumores oxigenados significativamente. Se midió la actividad tumoral automáticamente dentro de un determinado volumen de interés (SRI). Actividad se corrigió para la función de entrada arterial como estima de la imagen y los datos derivados de la sangre. Tumor FDG captación fue inicialmente evaluada por tumor de procrear animales respirar sólo aire (2 animales) o sólo carbogen (2 animales). Posteriormente, el 5 de los animales se estudió utilizando dos secuencial 18 F-FDG inyecciones administradas en el mismo tumor de procrear ratón, 60 min aparte, la primera inyección de un gas (aire o carbogen), y la segunda, por el otro gas. Al examinar la totalidad del tumor SRI, no hubo diferencias significativas, de 18 F-FDG captación entre los ratones, ya sea de aire o respiración carbogen (es decir, aire / carbogen ratio cerca de la unidad). Sin embargo, en el que sólo los más altos 18 F-FDG captación regiones del tumor se considera (pequeños VOIs), hubo una modesta (21%), pero significativo incremento en el aire / carbogen ratio lo que indica que en esas regiones potencialmente más hipóxico de la Tumor, 18 F-FDG absorción y el metabolismo de la glucosa, por lo tanto, pueden reducirse mediante el aumento de la oxigenación tumoral.

Conclusión

Tumor de 18 F-FDG captación puede reducirse por el aumento de la oxigenación del tumor y, por tanto, puede proporcionar un medio para mejorar aún más F-18 FDG neuroimagen funcional.

Antecedentes

18 F-FDG (flúor-18 deoxyglucose) ha pasado a ser ampliamente utilizado como un marcador para radiomarcada tomografía por emisión de positrones (PET) de imágenes de los tumores sólidos. En algunas regiones del cuerpo, el poder predictivo para identificar el cáncer con 18 F-FDG enfoques del 95% [1, 2].

Aunque alterado el metabolismo de la glucosa es una característica única del crecimiento neoplásico, existen otros factores relacionados con el tumor más lejano, que están en marcado contraste con los tejidos normales. La arquitectura vascular en el tejido del tumor es anormal y difiere en gran medida de los tejidos normales, lo que alteró la circulación de la sangre y el desarrollo de la hipoxia tumoral. La presencia de la hipoxia tumoral, se piensa que representan un obstáculo para la eficacia de los tratamientos contra el cáncer para ambos la radiación y la quimioterapia [3 - 6]. La identificación de pacientes cuyos tumores contienen hipóxico zonas pueden tener un papel importante en el pronóstico del tumor, así como el tratamiento y el enfoque de resultados. Actualmente, la capacidad de identificar y cuantificar la hipoxia del tumor es limitado. El actual estándar de oro para medir la concentración de oxígeno del tejido utiliza electrodos sensibles al oxígeno, que miden la presión parcial de oxígeno (pO 2) directamente en el tejido tumoral. Dado el carácter invasor de esta técnica, es difícil el acceso profunda tumores, y una vez evaluado, es difícil distinguir entre las mediciones realizadas en regiones necrótico y viable [7]. Técnicas no invasivas, tales como Overhauser potenciado por resonancia magnetica (OMRI) [8] y de las imágenes de resonancia paramagnética electrónica (EPRI) [9, 10], están siendo evaluados a fin de evitar los obstáculos con que tropiezan con la polarographic electrodo.

Dado que no invasiva 18 F-FDG/PET de imágenes ya es ampliamente utilizado en instalaciones clínicas para identificar los tejidos malignos, que se preguntó si esta modalidad de imágenes podrían utilizarse para evaluar la hipoxia tumoral. Metabolismo anaerobio de la glucosa requiere de mucho más para generar la misma cantidad de ATP como en el metabolismo aeróbico. Dada la naturaleza de hipóxico ciertos tumores, las regiones de tejido del tumor se sabe que recurrir a la anaeróbica metabolismo de la glucosa [11]. Se postula que el aumento de un tumor experimental de suministro de oxígeno podría permitir que el tumor más para metabolizar la glucosa aeróbicamente, por lo tanto, la reducción de 18 F-FDG captación. Para probar esta hipótesis, hemos comparado tumor 18 F-FDG en el tumor de la absorción de procrear animales secuencialmente aire (20,9% O 2) y carbogen (95% de oxígeno, 5% CO 2). Carbogen respiración se ha demostrado incrementar notablemente el estado de oxigenación de los tumores [8, 12]. Además, se presentan datos hincapié en la importancia de mantener la temperatura normal del cuerpo en pequeños animales sometidos a 18 F-FDG/PET de imágenes.

Resultados

La figura 1 muestra las imágenes de dos de los estudios experimentales. Figura 1 (arriba) muestra sagital, coronal, y transaxial slices mediante el tumor de un ratón (mantenerse a 37 ° C) de aire respirable y un ratón carbogen respiración. Figura 1, abajo, muestra el tiempo de actividad obtenida de la curva de VOIs extraer todo el tumor de un tumor de procrear animal respirar aire. El tiempo de coordinar la actividad de la curva es la 18 F-FDG concentración de actividad en el tumor por mCi inyecta la dosis. Tenga en cuenta que la descomposición corregida FDG captación curva es muy plana de 60 minutos hasta el final del estudio (130 min). Este fue el caso de los cuatro ratones en el estudio piloto. Un plazo similar se obtuvieron las curvas de actividad de los animales para respirar carbogen (datos no presentados). Tenga en cuenta también que la utilización de los servicios en estos dos ratones (uno en el aire y otro en carbogen) fue similar visualmente con una considerable heterogeneidad, de 18 F-FDG captación en todo el tumor. Air contra carbogen comparaciones no se pueden realizar por estos animales sin embargo, debido a que los datos de los ratones en los estudios experimentales no pueden ser corregidos por las posibles diferencias en la función de entrada arterial. Además, 18 F-FDG captación supuestamente tendrían ratón a ratón variación fisiológica ya que se utilizaron ratones diferentes para el aire y para carbogen, potencialmente enmascarar verdaderas diferencias de utilización causados por la naturaleza de la ventilación del gas. Por estas razones, el segundo más elaborado conjunto de los estudios descritos anteriormente se llevaron a cabo. Esta segunda serie de estudios secuencial afecta a dos F-18 FDG inyecciones en el mismo ratón, a 60 minutos de diferencia, la primera inyección de un gas (aire o carbogen), y la segunda, por el otro gas. El hecho de que los 18 F-FDG tiempo la actividad de las curvas de los estudios piloto fueron plana, independientemente de si el aire o el carbogen fue utilizado, significa que en los dos estudios de inyección, podríamos restar los 18 F-FDG actividad presente en la final de la primera 60 min de la actividad después de la segunda inyección. Estos dos estudios permite la inyección secuencial de medición de aire y carbogen utilización de los servicios en el mismo tumor, y permite la corrección en función de las posibles diferencias en la función de entrada arterial.

Carbogen a la absorción de aire en proporciones normales de temperatura (37 ° C)

Para cada ratón que computa el coeficiente de la absorción de aire para la respiración mientras que la absorción de la respiración mientras carbogen, cada corregida en el área bajo la función de entrada como por la ecuación 2. Una típica función de entrada se muestra en la Figura 2, a lo largo de la tarde con muestra de sangre procedentes de entrada función. La función medirá de entrada se corrigió mediante la muestras de sangre, como por las ecuaciones 1-3. La ratio de absorción corregido tumor mientras que la respiración de aire corregido a la captación tumor mientras la respiración carbogen, un promedio de más de los 5 ratones, no difirió significativamente de 1.0 (relación aire / carbogen = 1,15, p = NS, la Figura 3, plazas). La proporción sigue siendo no muy diferente a la unidad si el SRI se preparó utilizando un 30, 40 o 50%, y aun cuando sacado manualmente VOIs que abarca la totalidad del tumor se utilizaron. Nota de la Figura 3 que los tumores de cuatro de cada cinco ratones expuestos aire / carbogen ratios, todos los> 1, mientras que un ratón se apartó de las otras 4, con una relación inferior a la unidad. No había ninguna razón a priori para excluir la periferia animal, pero ello dio lugar a un aire / carbogen ratio, que no difieren significativamente de la unidad (aire / carbogen = 1,22, p <0,01).

Como se muestra en la Figura 1, la SCC tumor muestra de un considerable heterogeneidad en la captación de 18 F-FDG. La hipótesis de que las regiones del tumor demostrando acentuado la captación de FDG podría ser excepcionalmente hipóxica y puede responder de manera diferente a un aumento de la concentración de oxígeno inspirado en comparación con otras muestras de tejido tumoral. Para probar esta hipótesis se analizaron pequeños del SRI (90% mínimo) en torno a las regiones de los tumores que demuestra la mayor actividad. A diferencia de los datos de la totalidad del tumor, la absorción (corregido para la función de entrada) para estos pequeños caliente VOIs dado lugar a un aire / carbogen ratio que fue consistente en los 5 ratones, y fue significativamente mayor que la unidad (aire / carbogen = 1,21, p <0,005, Figura 3, derecha). Una vez más este resultado fue insensible a la manera en que el SRI se definió. Los resultados se celebran cuando el SRI o bien se basaba en un 80% o 90%, o incluso si el valor máximo del tumor (con un promedio de sus vecinos más cercanos píxeles en las 3 dimensiones) se usó para cada tumor. Nos desea visualizar píxeles que causan la diferencia en 18 F-FDG tumor frente a la absorción de aire carbogen respiración. La figura 4 muestra 18 F-FDG captación tumor durante tres imágenes diferentes de animales que recibió dos F-18 FDG inyecciones, mientras que un aire respirable y de la respiración mientras que otros carbogen. La primera columna muestra el tumor de 18 F-FDG captación de aire para respirar. La segunda columna representa tumor de 18 F-FDG captación de los animales después de cambiar a la respiración carbogen (residual de 18 F-FDG inicial de la inyección resta). A partir de estas imágenes es difícil decir a los que estaban causando los píxeles ligera disminución de tumor de 18 F-FDG captación de los animales para respirar carbogen. Para aclarar esto, la tercera columna muestra el porcentaje de incremento en 18 F-FDG captación de los animales frente a respirar aire para respirar carbogen animales expresado como 100 * (AirImage - CarbogenImage) / (media cuenta en Air tumor SRI). Lo ideal sería que el denominador habría sido la imagen del aire, pero debido a consideraciones de ruido de la imagen el valor medio en el aire tumor SRI (30% mínimo) se utilizaron en lugar. Los datos se normalizaron de forma que cuando el tumor SRI fue puesto en el porcentaje de aumento de imagen, que dio un valor igual al valor que figura en el punto correspondiente en la figura 3. Los valores negativos no se muestran en la columna 3. En lugar de la cuarta columna se muestra la (muchos menos) píxeles en la que superó carbogen aire (es decir, la negativa de la ecuación utilizada para la columna 3).

Aire a carbogen ratios de absorción a baja temperatura (30 ° C)

Cuando la temperatura central de los ratones se mantuvo en 30 ° C, un aire / carbogen tumor ratio (promedio entre todos los ratones), mucho menos de un se observó (media del aire / carbogen ratio = 0,47 ± 0,30; n = 2). Una vez más, este resultado fue insensible a la forma de definición SRI. Figura 5 muestra 18 F-FDG captación durante carbogen aire y la temperatura baja para un ratón. Está bastante claro que el tumor, mientras que la absorción de respiración carbogen es marcadamente superior a la captación de respiración mientras el aire. Sin embargo, mientras que los derivados de la sangre de los ratones de entrada en funciones fisiológicas normales de temperatura (37 ° C) fueron altamente reproducible en varios ratones, hay una gran variabilidad entre la sangre derivados de la entrada en funciones de baja temperatura ratones. Por lo tanto, hay que interpretar los datos de los ratones no mantiene a la temperatura fisiológica con cautela.

Discusión

Hipoxia en tumores humanos puedan afectar significativamente los resultados del tratamiento y la agresividad del tumor [13]. Este hallazgo ha llevado a un considerable interés en los medios no invasivos para evaluar el grado de hipoxia en los tumores antes de la terapia, por ejemplo, con RM (BOLD) de imágenes [14, 15]. Varios estudios han demostrado que el tumor de células de tumor o 18 F-FDG captación se asocia con hipoxia [16 - 18]. Transportador de glucosa (GLUT) y los receptores de las proteínas hexokinase actividad se encuentra elevado en los tumores, y se piensa que el aumento de 18 responsables de la F-FDG captación tumoral en comparación con tejidos normales [19]. Hipoxia ha mostrado ser un factor importante en la sobre-expresión de estas proteínas [16, 17, 20]. En el presente estudio se examinó si la información relativa a la hipoxia puede ser obtenida con 18 F-FDG PET y de imágenes. Esto se consideró posible ya que la hipoxia naturaleza de la mayoría de los tumores de las fuerzas de tumor metabolismo de la glucosa para utilizar principalmente glicolítica vías, en lugar de metabolismo oxidativo [11]. Muy grandes cantidades de glucosa son necesarios para obtener un determinado volumen de ATP a través de la vía glicolítica en comparación con la vía oxidativa, que supuestamente representa el por qué muchos tumores tienen el mayor 18 F-FDG captación. La hipótesis de que oxigenante por el tumor (a través de la respiración carbogen), el metabolismo de la glucosa tumor comenzarán a tener un importante componente oxidativo, que requieren considerablemente menos ATP por cada molécula de glucosa producida. Así, los tumores mejor oxigenada (es decir, tumores influenciado por la respiración carbogen) debería haber menos 18 F-FDG captación, que cuando en sus costumbre, el estado de hipoxia (es decir, mientras el animal está respirando aire). Para examinar esta posibilidad, 18 F-FDG captación en los tumores se examinó en tumores cuando el ratón está frente a respirar aire carbogen.

El SCC tumor utilizados en el presente estudio es que se sabe que son muy hipóxico determinada por mediciones anteriores electrodo de oxígeno en nuestro laboratorio [8]. Aunque el tumor es muy hipóxica, no había pruebas de necrosis en los tumores utilizados en el presente estudio (~ 1 cm de diámetro). Carbogen respiración se ha demostrado en numerosos estudios para aumentar la oxigenación de la condición de tumor-teniendo ratones [8, 21] y en pacientes [22 - 24]. Utilizando el mismo modelo SCCVII tumor, el tamaño tumoral, y de las condiciones experimentales con respecto al mantenimiento de la temperatura corporal, tal como se utiliza en el presente estudio, hemos demostrado que previamente carbogen respiración aumenta la oxigenación de la SCCVII tumor, medido por los electrodos de oxígeno Eppendorf [8 , 8]. En este estudio la media tumor pO 2 valores de los animales para respirar aire era de 8,2 mm Hg, que aumentó a un valor de 19,8 para los animales de respiración carbogen [8].

Como se mencionó anteriormente, la naturaleza de la hipoxia tumoral SCC hace probable que una gran proporción de las células del tumor utilizaría glicolisis anaeróbica de la glucosa, por lo que una mayor exposición 18 F-FDG captación. En efecto, encontramos la utilización de glucosa, medida por la captación de 18 F-FDG siendo importante en el SCC tumor como lo demuestra el tumor de las imágenes se muestra en la Figura 1. El FDG captación en el tumor es especialmente llamativo en comparación con el tumor no teniendo la pierna donde poco a la absorción no se observó (datos no presentados). Se prevé que el aumento de la oxigenación del tumor por carbogen respiración daría lugar a un cambio de metabolismo aeróbico producir mucho más ATP por molécula de glucosa, reduciendo así la necesidad de glucosa, y la disminución de 18 F-FDG captación tumoral. Los resultados de este estudio sólo parcialmente apoyado esta hipótesis. Aire / carbogen tumor general de los coeficientes de 18 F-FDG captación no fueron significativamente diferentes de la unidad. Sin embargo, en el que sólo los más altos 18 F-FDG captación región de cada tumor fue considerado (quizás el más hipóxica regiones) la hipótesis fue apoyada. En estas regiones presumiblemente metabólicamente activas, hubo un pequeño (21%) pero significativo incremento en el aire / carbogen absorción, lo que sugiere la reducción de 18 F-FDG captación en las condiciones de una mejor oxigenación. La falta de un aire / carbogen diferencia para todo el tumor, y la bastante pequeña aire / carbogen diferencia incluso para la mejor parte del tumor puede sugerir la idea de que los tumores son "programadas" para quemar la glucosa principalmente de un anaeróbicas la moda, independientemente de su Nivel de oxigenación. Esto podría ser un posible mecanismo de supervivencia de los tejidos destinados a crecer en un medio ambiente anaeróbico. Este posible explicación es, por supuesto, especulativa. Otro factor que puede desempeñar un papel es el potencial vasodilatadores probados de dióxido de carbono, aunque hay datos contradictorios en la literatura [24].

Cambios en la captación tumoral FDG (puntos calientes) cuando la respiración carbogen podría añadir otra dimensión a los 18 F-FDG neuroimagen funcional. Aunque pequeño, el 21% del cambio en 18 F-FDG captación en pequeñas regiones pueden dar información complementaria y quizá similar a la obtenida por la resonancia magnética de imágenes de la base de oxígeno es la sangre de oxígeno Nivel Dependientes (BOLD) RM. Para esta técnica, los cambios temporales en las ratios de deoxi-a oxyhemoglobin podrá controlar la utilización de los mecanismos previstos por el contrario deoxyhemoglobin de protones. Con este método, es posible examinar los cambios en el flujo sanguíneo y la oxigenación tumoral en los niveles de respuesta frente a carbogen respirar aire [14, 15]. La mejora observada en la RM BOLD imágenes es, por lo general sólo un pequeño tanto por ciento. En contraste, la disminución en 18 F-FDG captación tumor carbogen a respirar en pequeñas regiones del tumor en el presente estudio fue de hasta 21%, lo que sugiere que en estas pequeñas regiones tumor metabolismo de la glucosa se altera como consecuencia del aumento de la perfusión y oxigenación . Si esta observación es correcta, lo que exigirá además la validación, añadió la dimensión funcional a 18 F-FDG carbogen de imágenes que ofrece la respiración puede ser útil a los médicos evaluar la respuesta al tratamiento, sobre todo para el tratamiento de radiación.

Nuestros resultados no totalmente de acuerdo con algunos estudios previos que mostraron todo el tumor 18 F-FDG captación aumenta en más condiciones de hipoxia [25 - 28]. Toda nuestra tumor resultados dio un aire / carbogen ratio de absorción que no difieren significativamente de la unidad. Sólo cuando VOIs se extrajeron alrededor de la parte más caliente de nuestro tumores fueron nuestras conclusiones más coherente con estos estudios anteriores. Los estudios antes mencionados, ya sea examinado otro tipo de tumor de nuestro estudio (C3H carcinomas mamarios) [25], o en examen el mismo tipo de tumor (SCC), pero en un establecimiento in vitro [26]. Estas diferencias podrían sola cuenta de la diferencia en nuestras conclusiones. Además, este resultado puede ser debido a diferencias en el método experimental, o debido a la variabilidad en nuestros propios resultados. Estudios anteriores no trató de corregir las diferencias de potencial en función de entrada. La falta de normalización de los estudios de PET a través de los animales, tanto en los medios de la determinación de las funciones de referencia de entrada, así como la falta de consenso en relación con la simplificación de los procedimientos como el control de la temperatura central de los animales, también podría explicar esta diferencia en el resultado. Futuros experimentos con un mayor número de ratones, utilizando simultánea toma de muestras de sangre, se aclarará el resultado se muestra en la Figura 3.

La capacidad de examinar y cuantificar las regiones de mayor cambio en 18 F-FDG captación, que es donde un oncólogo de radiación que presumiblemente se concentran en tres dimensiones la dosis de radiación conformal pintura, tiene importantes implicaciones para el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Los estudios futuros podrían prueba más de este fenómeno por el cambio hacia condiciones más hipóxica, para ver si F-18 FDG captación mejora aún más.

Como un complemento a nuestro estudio se analizaron los resultados obtenidos en ratones se permite que caiga la temperatura corporal a 30 ° C. Pasado el trabajo en nuestro laboratorio con animales se ha demostrado que la temperatura corporal desciende bajo anestesia isoflurano diez grados en un promedio de 15 minutos [27]. Se encontró que los ratones en esta temperatura inferior mostraron significativamente mayor 18 F-FDG carbogen acumulación de aire en los ambientes. Esto puede ser debido a la vasoconstricción relativa en las condiciones de baja temperatura, posiblemente haciendo 18 F-FDG captación de flujo limitado en estas circunstancias. Agregando carbogen a esta baja temperatura estado puede mejorar el flujo de sangre, porque vasculatura responde a la elevada presión parcial de oxígeno por vasodilatación. Aunque este razonamiento es especulativo, los resultados de nuestra baja temperatura do punto definitivamente a la necesidad de un estricto control de los ratones de la fisiología y la necesidad de la normalización a través de los estudios de PET animal.

Una fortaleza de este estudio fue la capacidad de medir 18 F-FDG captación carbogen con el aire y la respiración en el mismo tumor. Estudios anteriores han comparado la absorción a través de los diferentes animales. Las diferencias en la heterogeneidad del tumor a través de los ratones potencialmente confundir estos resultados. Nuestro estudio controlado para esta variable de confusión. Otros estudios se beneficiarían de las pruebas múltiples tipos de tumores, así como de tumores humanos.

Conclusión

La relación de 18 F-FDG en la captación de CCS mientras que los tumores de aire respirable a que, si bien la respiración carbogen, no difirió significativamente de la unidad cuando todo el tumor se consideró, y cuando el animal se mantuvo la temperatura a 37 ° C. Cuando sólo la más alta captación regiones del tumor se considera, sin embargo, hubo una modesta (21%) pero significativo incremento en el aire / carbogen ratio. Esto sugiere que en estas regiones potencialmente más hipoxia del tumor, 18 F-FDG captación puede reducirse por el aumento de la oxigenación del tumor y, por tanto, puede proporcionar un medio para mejorar aún más F-18 FDG neuroimagen funcional. Como conclusión secundaria, tomamos nota de que cuando el ratón está permitida la temperatura descenderá a 30 º C (como ocurre naturalmente isoflurano durante la anestesia), alteraciones significativas en 18 F-FDG metabolismo se observaron, en la que aclara que el estricto control fisiológico son necesarias cuando Esos experimentos se realizan.

Métodos
Animales y tumores

Mujeres ratones C3H, producido por el Instituto Nacional del Cáncer Área de Producción Animal (Frederick, Maryland), se utilizaron para este estudio. Los ratones fueron 7-9 semanas de edad en el momento de la experimentación y pesaba entre 20-30 gramos. Todos los experimentos se llevaron a cabo en virtud de un protocolo aprobado por el Instituto Nacional del Cáncer Cuidado de Animales y utilización Comité, y se encontraban en el cumplimiento de la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de Recursos, (1996) Consejo Nacional de Investigación. Los tumores se cultiva en los ratones por un subcutánea (sc), la inyección de una sola célula-suspensión de 2 × 10 5 carcinoma de células escamosas (SCCVII) células de la pata trasera derecha. Tumores creció a un tamaño de 1,0 cm de diámetro ~ 7-10 días después de la inyección. Se determinó el volumen del tumor antes de PET, de la medición de tres diámetros ortogonales utilizando calibradores. Para todos los estudios de imagen ~ 1 cm de diámetro de los tumores se utilizaron.

PET escáner

PET imágenes se obtuvieron con el ATLAS (Advanced Technology Laboratory Animal escáner), con un animal pequeño escáner PET desarrollado en los NIH axial con un campo de visión (FOV), de 2 cm, una transversal FOV de 6,8 cm y una abertura de 8 Cm [28 - 30].

Los datos de la imagen adquirida con el ATLAS escáner PET fueron reconstruidas usando las tres dimensiones ordenó subconjunto expectativa maximización (OSEM) algoritmo de reconstrucción, incluido un modelo del sistema de resolución [31]. Todas las reconstrucciones se realizaron en el NIH Biowulf ordenador grupo, la utilización de dieciséis subgrupos y teniendo 10 repeticiones. En estas condiciones, una resolución espacial de 1,6 mm de ancho completo en el medio máximo (FWHM) se logró.

PET scan experimental set-up

Los ratones fueron ayunas por lo menos 3 horas antes de la inyección de 18 F-FDG. Cada ratón fue anestesiados con isoflurano (inducción; 2,0%, el mantenimiento; 1,5%) transportados por el aire a 750 ml / min y entregados a través de un nosepiece. Un anestésico entrega / basureros dispositivo fue utilizado continuamente durante todo el experimento. Una vez que la anestesia se estableció, además isoflurano fue transportado por aire o bien (20,9% de oxígeno) o carbogen (95% de oxígeno y 5% de CO 2). Con el fin de inyectar 18 F-FDG por vía intravenosa (IV), una cánula se inserta en una vena de cola. El IV líneas consistía en un 30 calibre 1 / 2 "aguja insertada en un extremo de una de 60 cm de longitud de tubería PE10 (IntraMedic Polietileno) (diámetro interno = 0,28 mm, diámetro exterior = 0,61 mm) y la aguja de otro eliminado de la Centro inserta en el extremo opuesto de la tubería. IV líneas se llenaron de heparina (100 unidades USP / ml) antes de la canulación. Para verificar la integridad de la línea, un bolo de heparina fue dada antes del 18 de la inyección de F-FDG. Un catéter vesical (PE10 tubo) se utilizó para recopilar la producción de orina y una sonda de temperatura rectal (FISO tecnologías de fibra óptica de temperatura Gauge FOT Modelo C-PEEK) fue utilizado para vigilar y mantener la temperatura corporal. Una vez que estos procedimientos se completaron el ratón fue inmovilizado en una jota que garantizados los pies. Esta jota se insertó en una cámara cilíndrica Lucite, fijado con un puerto para la conexión de termostato de control, circulación de aire caliente (Nikon Modelo CCI-32, Nikon Inc Japón) con el fin de mantener la temperatura central del ratón. Toda la asamblea se fijó a un ordenador controlado por pórtico motorizado capaz de, precisamente, el movimiento de animales en el escáner. Después de la temperatura central de 37 ° C se estableció, el PET se inició la colección de la imagen, y un bolo de 100 μ l, de 18 F-FDG (~ 400 μ Ci en el 0,9%) se inyectó. La dosis inyectada se registraron imágenes para cada animal. Los primeros estudios piloto se realizaron el 4 de ratones centrando el tumor en el campo de visión antes de la inyección. Dos de estos primeros sólo se estudiaron ratones con carbogen y dos sólo con el aire. Para cada ratón, una dinámica de adquisición de 5 min / cuadro fue adquirido por 90 min total. En posteriores experimentos se estudió cada ratón secuencialmente en el aire y ambos carbogen. Secuencial Estos estudios, realizados en un 5 ratones fueron más complejos, cada una de ellas de 5 fases. Inicialmente, cada animal fue anestesiado usando ya sea aéreo o carbogen como el gas portador para el isoflurano (3 de aire y 2 con carbogen). Si bien este gas se administra continuamente, el escáner se coloca en el nivel del corazón, y la dinámica de imagen iniciado inmediatamente antes de la inyección de 18 F-FDG (12 seg frames/10 de 2 min, 6 seg frames/30, seguido por 45 Cuadros / 1 min), continuando durante 50 min, con el fin de capturar una imagen derivada de la función de entrada. El escáner se mueve entonces al nivel del tumor (las extremidades inferiores), y dinámica de imágenes (5 min / frame) vuelve por otros 40 minutos, sin dejar de administrar con la misma combinación de isoflurano y ya sea aéreo o carbogen. Al término de esta adquisición, la compañía de gas para el isoflurano que se cambio de aire para carbogen, o viceversa, y el animal se dejó a equilibrar en la nueva mezcla de gases durante 10 minutos. Cuando los 10 minutos había terminado el período de equilibrio, el escáner ha sido trasladado de nuevo al nivel del corazón y dinámica colección de la imagen comenzó como se ha descrito anteriormente, a partir de aproximadamente 30 segundos antes de la inyección de un segundo bolo de 18 F-FDG, en primer lugar sobre la Corazón y, a continuación, sobre el tumor. Todos los estudios descritos anteriormente se realizaron mientras que el ratón el cuerpo de la temperatura se mantuvo a 37 ° C.

Otros 2 se estudiaron ratones utilizando esta misma metodología, pero dos de inyección, mientras que su temperatura corporal se mantuvo a 30 ° C. Anteriormente hemos demostrado que C3H SCCVII tumor de los animales teniendo en isoflurano experiencia aproximadamente 7 ° C disminución de la temperatura corporal de 15 minutos después de iniciar el isoflurano [27]. Realizar estudios de animales a baja temperatura se prepararon como se ha descrito anteriormente y se les administró isoflurano sin control de la temperatura hasta la temperatura corporal descendió a 30 ° C, etapa en la que la circulación de aire caliente fue ajustada para mantener una temperatura corporal de 30 ° C. Esta temperatura se mantenga a lo largo de las dos de inyección de estudio.

Toma de muestras de sangre

Después de anesthetizing el ratón con isoflurano médicos transportados por vía aérea (1,5%, 700 ml / min), la piel y integumento más de la derecha o izquierda de la superficie ventral del cuello fue cortado con tijeras quirúrgicas y la cleidomastoideus y sternomastoideus músculos se diseccionaron para exponer la Izquierda vena yugular externa, la eliminación de grasa y / o periféricas cauterizing buques para reducir al mínimo la pérdida de sangre. Una cánula, al igual que el descrito anteriormente para la cola canulación venosa, se inserta en la vena yugular externa y en el lugar fijado con adhesivo tisular Vetbond. A la salida se hizo por soldadura de un 30 G 1 / 2 "en una aguja de 23 G 1" aguja. Los 30 G 1 / 2 "aguja final podría ser insertado en el final de la línea central, mientras que el 23 G 1" aguja final podría ser insertada en una pequeña pieza de tubería PE50, en el que un 10 μ L jeringa Hamilton podría insertarse Con más precisión a la recogida de sangre. Después de la administración de 18 F-FDG (~ 400 μ Ci, 100 μ l) en bolo, 10 μ l de sangre fueron extraídas de la línea central de cada diez minutos durante una hora. Cada muestra de sangre fue diluida en 1 mL de solución salina, y su actividad se leyó en un Cobra II AutoGamma scintillation counter.

Imagen derivados de la sangre y derivados de señalar las funciones de entrada

Es posible que la función de entrada (la concentración arterial de 18 F-FDG en función del tiempo) podría cambiar dependiendo de si el ratón es respirar aire o carbogen. El área de entrada de la función es una medida de la cantidad de 18 F-FDG disponibles para el tumor de metabolizar. Con el fin de comparar el aire y carbogen 18 F-FDG uptakes, la relación de promedio de aire a carbogen captación en el volumen de los tumores de interés (SRI) se calculó, por la normalización de la integral de la función de entrada de tiempo cero hasta el momento de la Medición de la absorción. La función de entrada se calcula y se utiliza para la normalización, tal como se describe a continuación.

PET en las primeras imágenes de los puntos temporales reveló un gran buque dorsal y / o caudal al corazón. Comparación con las imágenes CT indicó que el buque fue la vena cava inferior, pero esto no se pudo determinar con certeza absoluta debido a posibles pequeños errores entre los registros PET y la TC. Una estricta determinación de si la embarcación fue arteriales o venosas se creyó innecesaria, al margen de cualquier primer tránsito absorción por el de pulmón (que se sabe que son bajos), sobre todo porque el bolo era lenta en comparación con la espera cardíaco rápido tiempo de tránsito [32].

Para determinar un tiempo de sangre mide la curva de actividad, un m (t), utilizando los principales vasos sanguíneos, las regiones de interés se extrajeron alrededor de este buque transaxial en varios niveles para determinar la concentración de actividad media en el buque con el tiempo. Sólo concentraciones relativas podría determinarse debido a que el diámetro de este buque se consideró pequeña en comparación con la resolución espacial del escáner, lo que hace parcial de los efectos de volumen importante. Además, los tejidos adyacentes a la nave podría tener potencialmente contaminados mide la actividad en la región de interés [33]. Las correcciones para estos efectos se hicieron de la siguiente manera. Una plaza de la región de interés (ROI), 2,8 mm en un lado y que abarca la aorta se señalaron y se usa para generar una curva de la aorta tiempo de actividad. Dos rectángulos concéntricos fueron extraídas en torno a este primer retorno de la inversión (7,3 mm y 9,6 mm en un lado) y una región de antecedentes se obtuvo restando el menor retorno de la inversión de la mayor retorno de la inversión. Otra vez la curva de la actividad fue creada a partir de estos antecedentes región, a fin de estimar la actividad de fondo, B (t). Se supone que mide la entrada de la función, un m (t) es igual a una combinación de la verdadera función de entrada, una t (t), y la actividad de fondo, B (t):

Un m (t) = a * t (t) + b * B (t). Ecuación 1

La constante "a" es inferior a la unidad debido a que algunos de los condes de desdibujar el buque región de interés debido al efecto de volumen parcial. Del mismo modo "b" representa confusión de los cargos en el fondo del buque región de interés. B (t) es sólo una pequeña fracción insignificante de A (t) hasta finales de los tiempos (> 4 min) por lo que la corrección es sólo importante a finales de los tiempos.

Desde que que sólo se interesan en la estimación de la proporción de las funciones de entrada de sangre como resultado de dos problemas fisiológicos, carbogen aire y la respiración, no era necesario para corregir la entrada de las funciones de "una" a "debido a que el tamaño y la colocación de la Retorno de la inversión es idéntica en cada caso:

Por lo tanto, sólo es necesario para corregir la función de entrada de contaminación de fondo. Cuatro muestras de sangre venosa fueron extraídas de 30-60 minutos después de cada inyección. Estas muestras se cree que se tarde bastante en los tiempos de manera que las concentraciones venosas de la actividad sería casi igual que la concentración arterial, por lo que un t (t) = Sangre (t) a finales de los tiempos. Esto fue confirmado por la muy lenta variación de A m (t) versus t en estos tiempos. Por lo tanto, para cada conjunto de datos, el aire o carbogen, el factor de escala b se obtuvo considerando la verdadera sangre derivados de la actividad de extracciones de sangre a finales de tiempo, la aportación real de medir la función y la actividad de fondo:

Para realizar la corrección más robusto, 4 puntos de tiempo fueron considerados a fin de estimar b.

Por razones logísticas, las muestras de sangre no pueden ser extraídas de la misma ratón. Por lo tanto, una cohorte de 6 ratones de la misma edad, tamaño, y el desarrollo de tumores de los ratones fueron inyectados con imágenes el mismo volumen de FDG, y cada sopló carbogen ya sea vía aérea o en las mismas condiciones que las imágenes de los ratones. La actividad de las curvas de tiempo para todos los ratones (n = 3, el aire; n = 3, carbogen) se normalizaron las actividades de los inyectado 18 F-FDG y las curvas eran aptos temporalmente con un bi-función exponencial. Estas muestras de sangre equipados normalizaron luego fueron utilizados en la ecuación para calcular b 3. B Una vez que se determinó para cada imagen del ratón, la verdadera relación entre arterial carbogen aire y puede ser calculada a partir de la ecuación 2.

Volúmenes de interés

Volúmenes de interés en torno a todo el tumor se definieron a partir de un semi-automática, en tres dimensiones, basada umbral, región de crecimiento algoritmo (MedX, Sensor Systems Inc). El umbral se basa en un porcentaje de la media de máxima intensidad en el tumor. Promedio intensidad máxima fue definida como la máxima píxel en el tumor, con un promedio de los píxeles vecinos en un ámbito 0,5625 mm de radio, para reducir el ruido estadístico. Un umbral del 30% generó un SRI visualmente que incluye la totalidad del tumor, pero el uso de otros umbrales VOIs también fueron estudiados.

El pequeño avión en-mis-registros de determinados ratones que se produjeron entre el aire y el carbogen mediciones fueron corregidos por aumentar al máximo la 3D correlación entre los dos conjuntos de la imagen (FLIRT lineal herramienta de registro; grupo de Análisis de Imágenes, Universidad de Oxford). La última serie de imágenes recogidas durante carbogen respiración se suman a los respectivos última serie de imágenes recogidas durante el aire para respirar. Los datos de la imagen fuera el tumor no se utilizaron para su registro. El 3D-3D registro se realizó con seis grados de libertad (cuerpo rígido), con 3 traducciones y 3 rotaciones. Después de la normalización para la correcta función de entrada, el aire conjunto de datos se resta luego de la carbogen conjunto de datos, y la adaptación de las señales de tumor fue juzgado por ojo. Aunque no se utiliza para la alineación, la femoral buques también parece estar presente en cada conjunto de datos, y la señal en esas regiones fue de cero después de la sustracción, apoyando la precisión de registro. Registro provocado en la mayoría de 2 mm de desplazamiento total en la región del tumor.

Contribuciones de los autores

CLA, SE, JS, ELA, MVG, JBM y llevó a cabo estudios de imagen animal. SH, JC, y SLB realizó análisis de imagen y estudios de modelado. CLA, JBM, MCK, y SLB redactado el manuscrito. JBM concibe el estudio, y JBM, MVG, SLB, MCK, y CLA participado en el diseño del estudio.

Agradecimientos

Esta investigación fue financiada en parte por el Programa de Investigación Intramural del NIH, el Instituto Nacional del Cáncer, Centro de Investigación del Cáncer.