Summary

Het bepalen van glucosemetabolisme Kinetics Met behulp<sup> 18</sup> F-FDG Micro-PET / CT

Published: May 02, 2017
doi:

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

Het doel van deze studie was een positron emissie tomografie / computertomografie (PET / CT) gebaseerde methodologie voor de in vivo, real-time opname van glucose kwantificering van de bloedstroom in specifieke weefsels in muizen ontwikkelen. Dit werd bereikt met 18F gemerkte fluordeoxyglucose (FDG) tot glucoseopname en kinetische modellering meten om de snelheden van 18F-FDG opname schatten uit het plasma naar de intracellulaire ruimte, de transportsnelheid van intracellulaire ruimte plasma en het percentage 18F-FDG fosforylering.

In knaagdieren is 18F-FDG gebruikt in de pre-klinische evaluatie van talrijke kankerbehandelingen 1, studies van tumorprogressie 2 en tumormetabolisme 3 en afbeelden van bruin vet depots 4, neuroinflamation 5 en 6 hersenenmetabolisme </sup>.

Traditionele methoden voor het weefsel specifieke opname van glucose in muizen (en ratten) onderzoeken omvatten in het algemeen een behandeling met 2-deoxyglucose radioactief gemerkt met hetzij 3H of 14C gevolgd door euthanasie, inzameling weefsels en meting van de radioactiviteit in elk weefsel 7. Het gebruik van PET / CT maakt een niet-invasieve bepaling van glucoseopname en metabolisme in meerdere organen en gebieden gelijktijdig in levende dieren. Bovendien euthanasie is geen vereiste, deze techniek is geschikt voor toepassing in longitudinale studies.

Type 2 diabetes mellitus (T2DM) wordt gekenmerkt door verstoord glucosemetabolisme en hyperglykemie door een verminderde weefsel gevoeligheid voor insuline (insulineresistentie) en het onvermogen van pancreas-cellen om voldoende hoeveelheden insuline produceren 8. Kinetische analyse van de opname van glucose en metabolisme kunnen belangrijke inzichten in te verstrekkenhet werkingsmechanisme en de werkzaamheid van therapeutische interventies en zorgen voor geavanceerde monitoring van ziekteprogressie.

Protocol

Alle in deze studie beschreven procedures werden goedgekeurd door de Sydney Local District van de Gezondheid en de Universiteit van Sydney Animal ethische commissies en volgde de NIH Gids voor de zorg en het gebruik van proefdieren, achtste editie (2011). 1. Bereiding van dieren Opmerking: In dit protocol mannelijke db / db-muizen (BKS.Cg- Dock7 m + / + db LepR / J) werden groepshuisvesting met ad libitum to…

Representative Results

We hebben eerder gebruik gemaakt van de db / db muis model om de impact van de stijgende plasma apoA-I niveaus op de kinetiek van de opname van glucose en metabolisme 13 onderzoeken. In deze studie hebben we gebruik db / db-muizen behandeld met insuline om de bruikbaarheid van PET / CT toont tegenover de opname van 18F-FDG uit het plasma te controleren in de gastrocnemius spier in real time. …

Discussion

De hier beschreven protocol vormt een robuuste, niet-invasieve methode om de kinetiek van glucoseopname bepalen uit de bloedstroom in het weefsel, waarna metabolisme in muizen.

De db / db muis is een is een gevestigde diermodel van type 2 diabetes 14 die uitgebreid heeft gebruikt om insulineresistentie en relevante interventies te onderzoeken. Echter, eerdere studies hebben alleen gekwantificeerd eindpunt opname in het hart 15 en hart- en skele…

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.

Materials

PET/CT Scanner Siemens Inveon 
18F-FDG PETNET Solutions
Isoflurane Pharmachem
30 guage needle BD 305106
PMOD modelling software PMOD Technologies
BKS.Cg-Dock7m +/+ Leprdb/J  mice Jackson Laboratory 000642
Human insulin Sigma-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. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Hagberg, C. E., et al. Targeting VEGF-B as a novel treatment for insulin resistance and type 2 diabetes. Nature. 490, 426-430 (2012).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Play Video

Cite This Article
Cochran, B. J., Ryder, W. J., Parmar, A., Klaeser, K., Reilhac, A., Angelis, G. I., Meikle, S. R., Barter, P. J., Rye, K. Determining Glucose Metabolism Kinetics Using 18F-FDG Micro-PET/CT. J. Vis. Exp. (123), e55184, doi:10.3791/55184 (2017).

View Video