İn vivo Sıçanlarda Derin Beyin Stimülasyonunun İndüklediği Aktivite Kalıplarını Ortaya Çıkarmak için Pozitron Emisyon Tomografisi
Summary
Bu çalışmada, in vivo FDG-PET ile akut derin beyin stimülasyonunun neden olduğu metabolik nöromodülasyonu değerlendirmek için klinik öncesi deneysel bir yöntem tanımlanmıştır. Bu makale, stereotaksik cerrahiden stimülasyon tedavisinin uygulanmasına ve PET görüntülerinin elde edilmesi, işlenmesi ve analizine kadar tüm deneysel adımları içermektedir.
Abstract
Derin beyin stimülasyonu (DBS), elektriksel darbelerin hastanın patofizyolojisinde rol oynayan beyin yapılarına uygulanmasına dayanan invaziv bir nöroşirürji tekniğidir. DBS’nin uzun geçmişine rağmen, etki mekanizması ve uygun protokolleri belirsizliğini koruyarak bu gizemleri çözmeyi amaçlayan araştırmalara duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Bu anlamda, fonksiyonel görüntüleme teknikleri kullanılarak DBS’nin in vivo etkilerinin değerlendirilmesi, stimülasyonun beyin dinamiği üzerindeki etkisini belirlemek için güçlü bir stratejiyi temsil eder. Burada, DBS’nin beyin metabolizması üzerindeki akut sonuçlarını değerlendirmek için uzunlamasına bir çalışma [18F]-florodeoksikloklokoz pozitron emisyon tomografisi (FDG-PET) ile birlikte preklinik modeller (Wistar sıçanları) için deneysel bir protokol tanımlanmıştır. İlk olarak, hayvanlara elektrotların prefrontal kortekse bilateral implantasyonu için stereotaktik cerrahi uygulandı. Elektrot yerleşimini doğrulamak için her hayvanın cerrahi sonrası bilgisayarlı tomografi (BT) taraması yapıldı. İyileşmeden bir hafta sonra, stimülasyon olmadan ameliyat edilen her hayvanın ilk statik FDG-PET’i (D1) edinildi ve iki gün sonra (D2), hayvanlar uyarılırken ikinci bir FDG-PET edinildi. Bunun için elektrotlar, hayvanlara FDG uygulandıktan sonra izole bir uyarıcıya bağlandı. Böylece, FDG alım döneminde (45 dakika) hayvanlar uyarıldı ve DBS’nin beyin metabolizması üzerindeki akut etkileri kaydedildi. Bu çalışmanın keşifsel doğası göz önüne alındığında, FDG-PET görüntüleri, D1 ve D2 çalışmaları arasında eşleştirilmiş bir T-testine dayanan voksel tabanlı bir yaklaşımla analiz edilmiştir. Genel olarak, DBS ve görüntüleme çalışmalarının kombinasyonu, sinir ağları üzerindeki nöromodülasyon sonuçlarının tanımlanmasına izin verir ve sonuçta DBS’yi çevreleyen bilmecelerin çözülmesine yardımcı olur.
Introduction
Nörostimülasyon terimi, sinir sistemini terapötik bir amaçla uyarmayı amaçlayan bir dizi farklı tekniği kapsar1. Bunlar arasında, derin beyin stimülasyonu (DBS), klinik pratikte en yaygın nörostimülasyon stratejilerinden biri olarak öne çıkmaktadır. DBS, derin beyin çekirdeklerinin, stereotaktik cerrahi ile modüle edilmek üzere beyin hedefine yerleştirilen elektrotlar aracılığıyla, doğrudan hastanın vücuduna implante edilen bir nörostimülatör tarafından verilen elektriksel darbelerle uyarılmasından oluşur. Farklı nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarda DBS uygulamasının fizibilitesini değerlendiren makalelerin sayısı sürekli artmaktadır2, ancak bunların sadece bir kısmı Gıda ve İlaç Birliği (FDA) tarafından onaylanmıştır (yani, esansiyel tremor, Parkinson hastalığı, distoni, obsesif-kompulsif bozukluk ve tıbbi olarak dirençli epilepsi)3 . Ayrıca, resmi olarak onaylanandan çok daha fazla patolojinin DBS tedavisi için çok sayıda beyin hedefi ve stimülasyon protokolü araştırılmaktadır, ancak bunların hiçbiri kesin olarak kabul edilmemektedir. DBS araştırması ve klinik prosedürlerdeki bu tutarsızlıklar kısmen etki mekanizmasının tam olarak anlaşılmamasından kaynaklanıyor olabilir4. Bu nedenle, DBS’nin beyin dinamikleri üzerindeki in vivo etkilerini deşifre etmek için büyük çabalar sarf edilmektedir, çünkü her ilerleme, ne kadar küçük olursa olsun, DBS protokollerini daha büyük terapötik başarı için rafine etmeye yardımcı olacaktır.
Bu bağlamda, moleküler görüntüleme teknikleri, DBS’nin in vivo nöromodülatör etkilerini gözlemlemek için doğrudan bir pencere açmaktadır. Bu yaklaşımlar, DBS’nin sadece uygulanırken etkisini belirleme fırsatı sunmakla kalmaz, aynı zamanda sonuçlarının doğasını çözme, istenmeyen yan etkileri ve klinik iyileşmeyi önleme ve hatta stimülasyon parametrelerini hastanın ihtiyaçlarına uyarlama fırsatı sunar5. Bu yöntemler arasında, 2-deoksi-2-[18F] floro-D-glukoz (FDG) kullanan pozitron emisyon tomografisi (PET), farklı beyin bölgelerinin aktivasyon durumu hakkında spesifik ve gerçek zamanlı bilgi sağladığı için özellikle ilgi çekicidir6. Spesifik olarak, FDG-PET görüntüleme, nöronlar ve glial hücreler arasındaki metabolik eşleşmenin fizyolojik prensibine dayanan nöral aktivasyonun dolaylı bir değerlendirmesini sağlar6. Bu anlamda, birkaç klinik çalışma FDG-PET kullanarak DBS modüle edilmiş beyin aktivite paternlerini bildirmiştir (inceleme için bkz.3 ). Bununla birlikte, klinik çalışmalar, hastalara odaklanırken, heterojenlik veya işe alım zorlukları gibi, araştırma potansiyellerini güçlü bir şekilde sınırlayan çeşitli dezavantajlara kolayca maruzkalmaktadır 6. Bu bağlam, araştırmacıları, biyomedikal yaklaşımları klinik çevirilerinden önce değerlendirmek veya klinik uygulamada zaten uygulanmışsa, terapötik faydaların veya yan etkilerin fizyolojik kökenini açıklamak için insan koşullarının hayvan modellerini kullanmaya yönlendirmektedir. Bu nedenle, insan patolojisi ile laboratuvar hayvanlarında modellenmiş durum arasındaki büyük mesafelere rağmen, bu klinik öncesi yaklaşımlar klinik uygulamaya güvenli ve etkili bir geçiş için gereklidir.
Bu makalede, DBS’nin beyin metabolizması üzerindeki akut sonuçlarını değerlendirmek için uzunlamasına bir FDG-PET çalışması ile birlikte murin modelleri için deneysel bir DBS protokolü açıklanmaktadır. Bu protokolle elde edilen sonuçlar, DBS tarafından beyin aktivitesinde indüklenen karmaşık modülatör kalıpların çözülmesine yardımcı olabilir. Bu nedenle, stimülasyonun sonuçlarını in vivo olarak incelemek için uygun bir deneysel strateji sağlanarak, klinisyenlerin belirli koşullar altında terapötik etkileri öngörmelerine ve daha sonra stimülasyon parametrelerini hastanın ihtiyaçlarına uyarlamalarına olanak tanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beyin fonksiyonlarının ve nöropsikiyatrik bozuklukların patofizyolojisinde yer alan sinir ağlarının anlaşılmasındaki ilerlemeler göz önüne alındığında, giderek daha fazla araştırma, DBS’nin çok çeşitli nörolojik temelli patolojilerdeki potansiyelini kabul etmektedir2. Bununla birlikte, bu tedavinin etki mekanizması belirsizliğini korumaktadır. Çeşitli teoriler, spesifik patolojik ve stimülasyon koşullarında elde edilen etkileri açıklamaya çalışmıştır, ancak ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco ve Yolanda Sierra’ya burada açıklanan metodolojinin optimizasyonunda paha biçilmez destekleri için teşekkür ederiz. MLS, Avrupa Bölgesel Kalkınma Fonu (ERDF) tarafından ortaklaşa finanse edilen “Avrupa’yı Yapmanın Bir Yolu” olan Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (proje numarası PI17/01766 ve hibe numarası BA21/0030) tarafından desteklenmiştir; CIBERSAM (proje numarası CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (proje numarası 2017/085); Fundación Mapfre; ve Fundación Alicia Koplowitz. MCV, bu kurumun bursiyeri olarak Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno ve AB Ortak Programı – Nörodejeneratif Hastalık Araştırması (JPND) tarafından desteklenmiştir. DRM, Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid tarafından desteklendi ve Avrupa Sosyal Fonu “Geleceğinize Yatırım Yapmak” (hibe numarası PEJD-2018-PRE / BMD-7899) tarafından desteklendi. NLR, Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019” tarafından desteklenmiştir. MD çalışmaları Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) ve Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044) tarafından desteklenmiştir. CNIC, Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) ve Pro CNIC Vakfı tarafından desteklenmektedir ve bir Severo Ochoa Mükemmeliyet Merkezidir (SEV-2015-0505).
Materials
| 7-Tesla Biospec 70/20 scanner | Bruker, Germany | SN0021 | MRI scanner for small animal imaging |
| Betadine | Meda Pharma S.L., Spain | 644625.6 | Iodine solution (iodopovidone) |
| Beurer IL 11 | Beurer | SN87318 | Infra-red light |
| Bipolar cable 50 cm w/50 cm mesh covering up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-305 (CM) | |
| Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-340/2 | Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm |
| Buprex | Schering-Plough, S.A | 961425 | Buprenorphine (analgesic) |
| Ceftriaxona Reig Jofré 1g IM | Laboratorio Reig Jofré S.A., Spain | 624239.1 | Ceftriaxone (antibiotic) |
| Commutator | Plastics One, USA | SL2+2C | 4 Channel Commutator for DBS |
| Concentric bipolar platinum-iridium electrodes | Plastics One, USA | MS303/8-AIU/Spc | Electrodes for DBS |
| Driller | Bosh | T58704 | Driller |
| FDG | Curium Pharma Spain S.A., Spain | —– | 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (PET radiotracer) |
| Heating pad | DAGA, Spain | 23115 | Heating pad |
| Ketolar | Pfizer S.L., Spain | 776211.9 | Ketamine (anesthetic drug) |
| Lipolasic 2 mg/g | Bausch & Lomb S.A, Spain | 65277 | Ophthalmic lubricating gel |
| MatLab R2021a | The MathWorks, Inc | Support software for SPM12 | |
| MRIcro | McCausland Center for Brain Imaging, University of South Carolina, USA | v2.1.58-0 | Software for imaging preprocessing and analysis |
| Multimodality Workstation (MMWKS) | BiiG, Spain | Software for imaging processing and analysis | |
| Omicrom VISION VET | RGB Medical Devices, Spain | 731100 ReV B | Cardiorrespiratory monitor for small imaging |
| Prevex Cotton buds | Prevex, Finland | —– | Cotton buds |
| Sevorane | AbbVie Spain, S.L.U, Spain | 673186.4 | Sevoflurane (inhalatory anesthesia) |
| Small screws | Max Witte GmbH | 1,2 x 2 DIN 84 A2 | Small screws |
| Standard U-Frame Stereotaxic Instrument for Rat, 18° Ear Bar | Harvard Apparatus, USA | 75-1801 | Two-arms Stereotactic frame for rat |
| Statistical Parametric Mapping (SPM12) | The Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Queen Square Institute of Neurology, UK | SPM12 | Software for voxel-wise imaging analysis |
| STG1004 | Multi Channel Systems GmbH, Germany | STG1004 | Isolated stimulator |
| SuperArgus PET/CT scanner | Sedecal, Spain | S0026403 | NanoPET/CT scanner for small animal imaging |
| Suture thread with needle, 1/º | Lorca Marín S.A., Spain | 55325 | Braided natural silk non-absorbable suture 1/0, with triangle needle |
| Technovit 4004 (powder and liquid) | Kulzer Technique, Germany | 64708471; 64708474 | Acrylic dental cement for craniotomy tap |
| Wistar rats (Rattus norvergicus) | Charles River, Spain | animal facility | Animal model used |
| Xylagesic | Laboratorios Karizoo, A.A, Spain | 572599-4 | Xylazine (anesthetic drug) |
| Normon S.A., Spain | 602910 | Mepivacaine in gel for topical use |
Referenzen
- Gildenberg, P. L. Neuromodulation: A historical perspective. Neuromodulation. 1, 9-20 (2009).
- Lee, D. J., Lozano, C. S., Dallapiazza, R. F., Lozano, A. M. Current and future directions of deep brain stimulation for neurological and psychiatric disorders. Journal of Neurosurgery. 131 (2), 333-342 (2019).
- Casquero-Veiga, M. Preclinical molecular neuroimaging in deep brain stimulation. Complutense University of Madrid. , (2021).
- Blaha, C. D. Theories of deep brain stimulation mechanisms. Deep Brain Stimulation: Indictions and Applications. , 314-338 (2016).
- Fins, J. J. Deep brain stimulation: Ethical issues in clinical practice and neurosurgical research. Neuromodulation. 1, 81-91 (2009).
- Desmoulin-Canselier, S., Moutaud, B. Animal models and animal experimentation in the development of deep brain stimulation: From a specific controversy to a multidimensional debate. Frontiers in Neuroanatomy. 13, 51 (2019).
- Casquero-Veiga, M., Hadar, R., Pascau, J., Winter, C., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Response to deep brain stimulation in three brain targets with implications in mental disorders: A PET study in rats. PLOS One. 11 (12), 0168689 (2016).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Understanding deep brain stimulation: In vivo metabolic consequences of the electrode insertional effect. BioMed Research International. 2018, 1-6 (2018).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Pascau, J., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Stimulating the nucleus accumbens in obesity: A positron emission tomography study after deep brain stimulation in a rodent model. PLOS One. 13 (9), 0204740 (2018).
- Pascau, J., Vaquero, J. J., Abella, M., Cacho, R., Lage, E., Desco, M. Multimodality workstation for small animal image visualization and analysis. Scientific Papers. Molecular Imaging and Biology. 8, 97-98 (2006).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Roy, M., et al. A dual tracer PET-MRI protocol for the quantitative measure of regional brain energy substrates uptake in the rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (82), e50761 (2013).
- Klein, J., et al. A novel approach to investigate neuronal network activity patterns affected by deep brain stimulation in rats. Journal of Psychiatric Research. 45 (7), 927-930 (2011).
- Soto-Montenegro, M. L., Pascau, J., Desco, M. Response to deep brain stimulation in the lateral hypothalamic area in a rat model of obesity: In vivo assessment of brain glucose metabolism. Molecular Imaging and Biology. , 830-837 (2014).
- Pascau, J., et al. Automated method for small-animal PET image registration with intrinsic validation. Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 107-113 (2009).
- Andersson, J. L. R. How to estimate global activity independent of changes in local activity. Neuroimage. 244 (60), 237-244 (1997).
- . Wellcome Trust Centre for Neuroimaging SPM12-Statitstical Parametric Mapping Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ (2022)
- Lozano, A. M., et al. Deep brain stimulation: current challenges and future directions. Nature Reviews Neurology. 15 (3), (2019).
- Boecker, H., Drzezga, A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. NeuroImage. 131, (2016).
- Sprengers, M., et al. Deep brain stimulation reduces evoked potentials with a dual time course in freely moving rats: Potential neurophysiological basis for intermittent as an alternative to continuous stimulation. Epilepsia. 61 (5), 903-913 (2020).
- Middlebrooks, E. H., et al. Acute brain activation patterns of high- versus low-frequency stimulation of the anterior nucleus of the thalamus during deep brain stimulation for epilepsy. Neurosurgery. 89 (5), 901-908 (2021).
- Ashkan, K., Rogers, P., Bergman, H., Ughratdar, I. Insights into the mechanisms of deep brain stimulation. Nature Reviews Neurology. 13 (9), 548-554 (2017).
- Williams, N. R., Taylor, J. J., Lamb, K., Hanlon, C. A., Short, E. B., George, M. S. Role of functional imaging in the development and refinement of invasive neuromodulation for psychiatric disorders. World Journal of Radiology. 6 (10), 756-778 (2014).
- Rodman, A. M., Dougherty, D. D. . Nuclear medicine in neuromodulation. Neuromodulation in Psychiatry. , 81-99 (2016).
- Albaugh, D. L., Shih, Y. -. Y. I. Neural circuit modulation during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease: what have we learned from neuroimaging studies. Brain Connectivity. 4 (1), 1-14 (2014).
- Mayberg, H. S., et al. Reciprocal limbic-cortical function and negative mood: Converging PET findings in depression and normal sadness. Neurology, and Radiology. 156 (5), 675-682 (1999).
- Kennedy, S. H., et al. Differences in brain glucose metabolism between responders to CBT and Venlafaxine in a 16-week randomized controlled trial. American Journal of Psychiatry. 164 (5), 778-788 (2007).
- Kennedy, S. H., et al. Changes in regional brain glucose metabolism measured with positron emission tomography after paroxetine treatment of major depression. American Journal of Psychiatry. 158 (6), 899-905 (2001).
- Brown, E. C., Clark, D. L., Forkert, N. D., Molnar, C. P., Kiss, Z. H. T., Ramasubbu, R. Metabolic activity in subcallosal cingulate predicts response to deep brain stimulation for depression. Neuropsychopharmacology. 45, 1681-1688 (2020).
- Klooster, D. C. W., et al. Technical aspects of neurostimulation: Focus on equipment, electric field modeling, and stimulation protocols. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 65, 113-141 (2016).
- Kasoff, W., Gross, R. E. Deep brain stimulation: Introduction and Technical Aspects. Neuromodulation in Psychiatry. , 245-275 (2016).
- Perez-Caballero, L., et al. Early responses to deep brain stimulation in depression are modulated by anti-inflammatory drugs. Molecular Psychiatry. 19, 607-614 (2014).
- Solera Ruiz, I., UñaOrejón, R., Valero, I., Laroche, F. Craniotomy in the conscious patient. Considerations in special situations. Spanish Journal of Anesthesiology and Resuscitation. 60 (7), 392-398 (2013).
- Casali, M., et al. State of the art of 18F-FDG PET/CT application in inflammation and infection: a guide for image acquisition and interpretation. Clinical and Translational Imaging. 9 (4), 299-339 (2021).
- Gonzalez-Escamilla, G., Muthuraman, M., Ciolac, D., Coenen, V. A., Schnitzler, A., Groppa, S. Neuroimaging and electrophysiology meet invasive neurostimulation for causal interrogations and modulations of brain states. NeuroImage. 220, 117144 (2020).
