Анализ 18FDG ПЭТ/КТ изображений как инструмент для обучения микобактерии инфекции и лечение в Non-human приматов
Summary
Здесь мы представляем протокол для описания анализ 18F-ФДГ ПЭТ/КТ в нечеловеческих приматов, которые были заражены микобактерий туберкулеза изучить процесс болезни, медикаментозное лечение и возобновление болезни.
Abstract
Микобактерии туберкулеза остается номер один инфекционного агента в мире сегодня. С появлением устойчивых к антибиотикам штаммов, которые оценивают процесс болезни и экран для потенциальных методов лечения антибиотиками и вакцины необходимы новые клинически значимых методы. Позитронно эмиссионная томография/компьютерная томография (ПЭТ/КТ) был создан как ценный инструмент для изучения ряда недугов, таких как рак, болезнь Альцгеймера и воспаление/инфекции. Изложенные здесь являются ряд стратегий, которые были использованы для оценки ПЭТ/КТ изображений в cynomolgus макак, которые заражены intrabronchially с низкими дозами микобактерий туберкулеза. Путем оценки размера поражения на КТ и поглощение 18F-fluorodeoxyglucose (ФДГ) поражений и лимфатические узлы в PET изображений, эти описанные методы показывают, что ПЭТ/КТ может предсказать будущее развитие активных против скрытой болезни и склонность для реактивации из состояния латентной инфекции. Кроме того анализируя общий уровень воспаления легких, эти методы определения антибактериальной эффективности препаратов против микобактерий туберкулеза в наиболее клинически значимых существующей модели на животных. Эти методы анализа изображений являются одними из самых мощных инструментов в арсенале против этого заболевания, не только они могут оценить ряд характеристик инфекции и лечения, но они также являются непосредственно переводимые в клинических условиях для использования в человека исследования.
Introduction
Микобактерии преследуют люди на протяжении тысячелетий и причин смертности более чем любой другой один инфекционного агента в мире сегодня. В 2015 году, там были 10,5 миллиона новых случаев заболевания туберкулезом (ТБ) глобально1 с в большинстве случаев, вытекающих из Индии, Индонезии, Китая, Нигерии, Пакистана и Южной Африки. Оценкам место глобальной смертности от туберкулеза в 1,4 миллиона человек в течение этого же периода времени. Это значение является почти на 25% ниже, чем уровень смертности 100 лет назад. Хотя наркотики чувствительным ТБ поддается лечению, режима длительный, требующий несколько препаратов и соблюдения является проблемой. Появление multi-лекарственно устойчивых штаммов (МЛУ) приходилось ~ 580 000 новых случаев туберкулеза в 2015 году. Показатель успешного лечения пациентов с МЛУ штаммов микобактерий туберкулеза только оценивается около 50%. Еще более тревожным является появление широко резистентных штаммов (XDR) микобактерий туберкулеза, устойчивые к почти все доступные наркотиков. Таким образом новые методы необходимы в области исследования туберкулеза, повысить способность диагностировать туберкулез, увеличить иммунологических понимание процесса заболеванием и позволяют для скрининга новых процедур и стратегий профилактики, включая антибиотик схемы и исследования эффективности вакцины.
М. туберкулез является аэробных Фита палочкой, которое физически характеризуется ее очень сложной внешней клеточной стенки и медленного роста кинетики. Инфекция обычно происходит через вдыхание отдельных бактерии, содержащиеся в аэрозольных капельки, которые исключают из симптоматическое, инфицированные лица при кашле, чихании или пения. Облучаемых лиц, которые развиваются инфекции только 5-10% людей развивать активные клинических ТБ. Оставшиеся 90% имеют различные спектр бессимптомные инфекции, которые колеблется от субклинической инфекции не болезни на всех, все из которых клинически классифицируется как ТБ латентной инфекции (LTBI)2,3. Населения, имеющий этот бессимптомной инфекции примерно 10% будет развиваться активной формы ТБ путем реактивации инфекции содержащихся в их жизни. Риск возобновления резко увеличивается, если человек с контрактами бессимптомной инфекции ВИЧ или проходит лечение иммуносупрессивным препаратом, как ФНО ингибиторы4,5,6. Активный туберкулез также представляет как спектра, большинство людей, имеющих легочный туберкулез, который влияет на легких и грудной лимфатические узлы. Однако микобактерий туберкулеза могут заразить любой орган, так что инфекция может также присутствует в внелегочный сайты участия.
Патологическое отличительной чертой микобактерий инфекции является организованная сферическая структура клеток хозяина, называется гранулемы. Макрофаги, Т-клетки и клетки являются основными компонентами гранулемы, с переменным числом нейтрофилов7. Центр гранулемы часто некротические. Таким образом гранулемы функции иммунной микроокружения убить или содержать бациллы, предотвращение распространения на другие части легких. Однако микобактерий туберкулеза могут подорвать убийства, гранулемы и сохраняются на протяжении десятилетий в рамках этих структур. Последовательной и регулярный мониторинг для развития активного туберкулеза после новой инфекции или возобновление деятельности LTBI является непрактичным, научно сложным и трудоемким. Методы, которые изучать эти процессы продольно, в людей и человека как Животные модели, являются чрезвычайно полезными для научного сообщества в углублении понимания многих сложностей микобактерий инфекции и болезни.
ПЭТ/КТ является чрезвычайно полезным Тепловизионная техника, которая использовалась для изучения широкий спектр государств заболеваний в организме человека и животных моделей8. PET является функциональный метод, который использует позитронно излучающих радиоактивных соединений в качестве репортера. Эти радиоизотопы обычно функционализированных метаболических соединения, такие как глюкоза, или группу таргетинга, предназначенный для связывания с рецептором интерес. Так как излучение от PET изотопов достаточно сильны, чтобы проникнуть в ткани, может использоваться очень низких концентрациях, которые для изучения ниже уровни насыщения в рецептор ориентация соединений и при достаточно низкой концентрации позволяет иметь никакого влияния на метаболические процессов при использовании агентов, таких как 2-deoxy – 2 – (18F) фтор-D-глюкоза (ФДГ). КТ является трехмерной рентгеновских изображений техника, которая использует различные уровни ослабления рентгеновского для определения физических характеристик органы внутри тела9. Когда в паре с PET, CT используется как карту для определения конкретных местах и структур, которые показывают поглощения радиоиндикаторных ПЭТ. ПЭТ/КТ является мощным инструментом для в vivo изображения людей и животных моделях, инфицированных микобактерий инфекции, что привело к многие важные идеи в патогенезе, ответ для лечения наркомании, заболеваний спектра, и т.д.6 ,10,,1112. Эта работа описывает конкретные аналитические методы PET/CT учиться в моделей нечеловеческих приматов, продольно с использованием параметров, таких как размер гранулемы, ФДГ в отдельных поражений и всей алчности FDG легких и лимфатических узлов, обнаружение внелегочного туберкулеза болезни в6,10,,1112.
Эта рукопись описывает методики визуализации анализа в нечеловеческих приматов (Евросоюзе), специально cynomolgus макак, которые используются для оценки продольно прогрессирования заболевания и лечение наркоманов, после инфекции с микобактерий туберкулеза . Евросоюзе являются ценные Животные модели, потому что когда прививанным с низкой дозой Эрдман штамм микобактерий туберкулеза , животных показывают различные исходы заболевания с ~ 50% развития активной формы ТБ и остальных животных, имеющих бессимптомной инфекции (т.е. контроль инфекции, LTBI), предоставляя ближайший модель спектр клинического заболевания, видел в людях3,13,14,,1516. Возобновление LTBI в макак инициируется же агенты, которые вызывают возобновление в организме человека, примерами которых вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ, используя обезьяний иммунодефицита (СИВ) как макака версия ВИЧ), CD4 истощения или опухоль некроз фактор (ФНО) нейтрализации13,16. Кроме того макак представлять с патологией, который очень похож на что видел в людях, в том числе организованной гранулемы, которые формируют в легких или других органов17. Таким образом эта модель обеспечивает важное понимание взаимодействия основных хост возбудителя в микобактерий инфекции, а также ценные знания о получающим и вакцины против туберкулеза14,18 , 19 , 20 , 21.
ПЭТ/КТ обеспечивает возможность следить за внешний вид, распределение и прогрессирования отдельных гранулемы. Эта работа в основном используется FDG как зонд, который, как аналог глюкозы, включает в метаболически активные хост клетки, макрофаги, нейтрофилы и лимфоцитов8, все из которых находятся в гранулемы. Таким образом ФДГ является прокси для узла воспаления. Здесь подробные процедуры анализа использует OsiriX, широко используемых DICOM зрителя, доступных для приобретения и использования. Описанные методы анализа изображения отслеживать форму, размер и метаболической активности (через ФДГ) отдельных гранулемы с течением времени и использует изображения как карта для выявления конкретных поражений на животных вскрытие. Кроме того отдельный метод был разработан количественно суммирования ФДГ в легких выше определенного порога (≥ 2.3 внедорожник) и использует это значение для оценки различий между элементом управления и экспериментальных групп различных исследований, начиная от вакцины испытания для сочетанной инфекции моделей. Эти данные подтверждают которые эта общая мера ФДГ в легких связано с бактериальной бремя, таким образом предоставляя информацию о состоянии болезни. Аналогичный анализ может выполняться на ФДГ грудной лимфатические узлы для изучения прогрессирование болезни также. Следующий протокол описывает процесс экспериментальной от животных инфекции путем анализа изображений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Данные, полученные от PET/CT может использоваться в качестве суррогата измерения для многих аспектов микобактерий инфекции, которая бы ненаблюдаемых без такой технологии. ПЭТ/КТ является гораздо более чувствительны, чем рентгеновской технологии, которая часто используется в исслед…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить Марк Роджерс для изложением процедур инфекции и L. Eoin Карни и Брайан Лопрести для руководства при установлении этих процедур обработки изображений. Финансирование для проведения этой работы была предоставлена Билла и Мелинды Гейтс (J.L.F., P.L.L.), национальные институты здравоохранения, национальные институты специальные и AI111871 R01 инфекционных заболеваний (P.L.L.), национальные легочное сердце и кровь институт R01 HL106804 (J . Л.Ф.), R01 HL110811.
Materials
| Ketamine | Henry Schein | 23061 | Henry Schein |
| Telazol | Zoetis | 4866 | Henry Schein |
| Cetacaine | Patterson Vet Generics | 07-892-6862 | Patterson |
| Sterile saline | Hospira | 07-800-9721 | Patterson |
| 7H11 agar | BD | 283810 | BD Biosciences |
| IV catheter | Surflash | 07-806-7659 | Patterson |
| 18F-FDG | Zevacor | N/A | |
| Endotracheal tube | Jorgensen Labs Inc | 07-887-0284 | Patterson |
| Artificial tears | Patterson Vet Generics | 07-888-1663 | Patterson |
| Isoflurane | Zoetis | 07-806-3204 | Patterson |
| Neurologica Ceretom CT | Samsung Neurologica | N/A | |
| Siemens Focus 220 microPET | Siemens Molecular Imaging Systems | N/A | |
| Inveon Research Software | Siemens Molecular Imaging Systems | N/A | |
| OsiriX | Pixmeo | N/A |
References
- Barry, C. E., et al. The spectrum of latent tuberculosis: rethinking the biology and intervention strategies. Nat Rev Microbiol. 7 (12), 845-855 (2009).
- Lin, P. L., Flynn, J. L. Understanding latent tuberculosis: a moving target. J Immunol. 185 (1), 15-22 (2010).
- Pawlowski, A., Jansson, M., Skold, M., Rottenberg, M. E., Kallenius, G. Tuberculosis and HIV co-infection. PLoS Pathog. 8 (2), e1002464 (2012).
- Keane, J. TNF-blocking agents and tuberculosis: new drugs illuminate an old topic. Rheumatology (Oxford). 44 (6), 714-720 (2005).
- Lin, P. L., et al. PET CT Identifies Reactivation Risk in Cynomolgus Macaques with Latent M. tuberculosis. PLoS Pathog. 12 (7), e1005739 (2016).
- Flynn, J. L., Klein, E., Dick, T., Leong, V. D. J. . A color atlas of comparative pulmonary tuberculosis histopathology. , 83-106 (2011).
- Signore, A., Mather, S. J., Piaggio, G., Malviya, G., Dierckx, R. A. Molecular imaging of inflammation/infection: nuclear medicine and optical imaging agents and methods. Chem Rev. 110 (5), 3112-3145 (2010).
- James, M. L., Gambhir, S. S. A molecular imaging primer: modalities, imaging agents, and applications. Physiol Rev. 92 (2), 897-965 (2012).
- Coleman, M. T., et al. PET/CT imaging reveals a therapeutic response to oxazolidinones in macaques and humans with tuberculosis. Sci Transl Med. 6 (265), (2014).
- Coleman, M. T., et al. Early Changes by (18)Fluorodeoxyglucose positron emission tomography coregistered with computed tomography predict outcome after Mycobacterium tuberculosis infection in cynomolgus macaques. Infect Immun. 82 (6), 2400-2404 (2014).
- Lin, P. L., et al. Radiologic Responses in Cynomolgus Macaques for Assessing Tuberculosis Chemotherapy Regimens. Antimicrob Agents Chemother. 57 (9), 4237-4244 (2013).
- Diedrich, C. R., et al. Reactivation of latent tuberculosis in cynomolgus macaques infected with SIV is associated with early peripheral T cell depletion and not virus load. PLoS One. 5 (3), e9611 (2010).
- Lin, P. L., et al. The multistage vaccine H56 boosts the effects of BCG to protect cynomolgus macaques against active tuberculosis and reactivation of latent Mycobacterium tuberculosis infection. J Clin Invest. 122 (1), 303-314 (2012).
- Lin, P. L., et al. CD4 T cell depletion exacerbates acute Mycobacterium tuberculosis while reactivation of latent infection is dependent on severity of tissue depletion in cynomolgus macaques. AIDS Res Hum Retroviruses. 28 (12), 1693-1702 (2012).
- Mattila, J. T., Diedrich, C. R., Lin, P. L., Phuah, J., Flynn, J. L. Simian immunodeficiency virus-induced changes in T cell cytokine responses in cynomolgus macaques with latent Mycobacterium tuberculosis infection are associated with timing of reactivation. J Immunol. 186 (6), 3527-3537 (2011).
- Scanga, C. A., Flynn, J. A., Kaufmann, S. H. E., Rubin, E. J., Zumla, A. . Tuberculosis. , 243-258 (2015).
- Kita, Y., et al. Development of therapeutic and prophylactic vaccine against Tuberculosis using monkey and transgenic mice models. Hum Vaccin. 7, 108-114 (2011).
- Langermans, J. A., et al. Divergent effect of bacillus Calmette-Guerin (BCG) vaccination on Mycobacterium tuberculosis infection in highly related macaque species: implications for primate models in tuberculosis vaccine research. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (20), 11497-11502 (2001).
- Okada, M., et al. Novel prophylactic and therapeutic vaccine against tuberculosis. Vaccine. 27 (25-26), 3267-3270 (2009).
- Reed, S. G., et al. Defined tuberculosis vaccine, Mtb72F/AS02A, evidence of protection in cynomolgus monkeys. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (7), 2301-2306 (2009).
- Capuano, S. V., et al. Experimental Mycobacterium tuberculosis infection of cynomolgus macaques closely resembles the various manifestations of human M. tuberculosis infection. Infect Immun. 71 (10), 5831-5844 (2003).
- Srinivas, S. M., et al. A recovery coefficient method for partial volume correction of PET images. Ann Nucl Med. 23 (4), 341-348 (2009).
- Kumar, R., et al. Role of modern imaging techniques for diagnosis of infection in the era of 18F-fluorodeoxyglucose positron emission tomography. Clin Microbiol Rev. 21 (1), 209-224 (2008).
- Martin, C. J., et al. Digitally Barcoding Mycobacterium tuberculosis Reveals In Vivo Infection Dynamics in the Macaque Model of Tuberculosis. MBio. 8 (3), (2017).
- Lin, P. L., et al. Metronidazole prevents reactivation of latent Mycobacterium tuberculosis infection in macaques. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (35), 14188-14193 (2012).
- Lin, P. L., et al. Tumor necrosis factor neutralization results in disseminated disease in acute and latent Mycobacterium tuberculosis infection with normal granuloma structure in a cynomolgus macaque model. Arthritis Rheum. 62 (2), 340-350 (2010).
- Phuah, J., et al. Effects of B Cell Depletion on Early Mycobacterium tuberculosis Infection in Cynomolgus Macaques. Infect Immun. 84 (5), 1301-1311 (2016).
- Martinez, V., Castilla-Lievre, M. A., Guillet-Caruba, C., Grenier, G., Fior, R., Desarnaud, S., Doucet-Populaire, F., Boue, F. (18)F-FDG PET/CT in tuberculosis: an early non-invasive marker of therapeutic response. Int J Tuberc Lung Dis. 16 (9), 1180-1185 (2012).
- Malherbe, S. T., et al. Persisting positron emission tomography lesion activity and Mycobacterium tuberculosis mRNA after tuberculosis cure. Nat Med. 22 (10), 1094-1100 (2016).
- Chen, R. Y., et al. PET/CT imaging correlates with treatment outcome in patients with multidrug-resistant tuberculosis. Sci Transl Med. 6 (265), (2014).
