Analisi di ¹⁸FDG PET/CT Imaging come strumento per studiare l'infezione di tubercolosi del micobatterio e trattamento in primati Non umani

Tubercolosi del micobatterio ha afflitto gli esseri umani per millenni e provoca più mortalità rispetto a qualsiasi altro singolo agente infettivo nel mondo oggi. Nel 2015, c’erano 10,5 milioni segnalati nuovi casi di tubercolosi (TB) a livello globale¹ con la maggior parte dei casi provenienti da India, Indonesia, Cina, Nigeria, Pakistan e Sudafrica. Le stime posto il tributo di morte globale da TB a 1,4 milioni di persone durante quel stesso periodo di tempo. Questo valore è quasi il 25% inferiore al tasso di morte 100 anni fa. Anche se droga sensibili TB è curabile, il regime è piuttosto lungo che richiede farmaci multipli e conformità è una preoccupazione. L’emergere di ceppi farmaco-resistenti (MDR)-multi contabilizzate ~ 580.000 di nuovi casi di TB nel 2015. Il tasso di successo del trattamento di pazienti con ceppi MDR di M. tuberculosis è solo stimato di circa il 50%. Ancora più allarmante è l’emergere di estensivamente resistente (XDR) ceppi di M. tuberculosis, che sono resistenti a quasi tutti i farmaci disponibili. Così, nuove tecniche sono necessarie all’interno del campo di ricerca di TB che migliorano la capacità di diagnosticare TB, aumentare la comprensione immunologica del processo della malattia e consentono per lo screening di nuovi trattamenti e strategie di prevenzione tra cui Antibiotico i regimi e gli studi di efficacia del vaccino.

M. tuberculosis è un bacillo acid-fast aerobico che fisicamente si caratterizza per la sua parete cellulare esterna molto complessa e la cinetica di crescita lenta. L’infezione si verifica in genere per inalazione di singoli batteri contenuti in goccioline aerosolized che vengono espulsi da un individuo infetto sintomatico durante la tosse, starnuti o canto. Di quella degli individui esposti che sviluppa l’infezione, solo 5-10% di persone sviluppare TB clinica attiva. Il restante 90% hanno una gamma varia di infezioni asintomatiche che spazia dall’infezione infraclinica a nessuna malattia a tutti, che è classificata clinicamente come TB latente (LTBI) l’infezione^2,3. La popolazione che ha questa infezione asintomatica, circa il 10% svilupperà TB attiva di riattivazione dell’infezione contenuta nella loro vita. Drasticamente, il rischio di riattivazione aumenta se una persona con contratti di infezione asintomatica da HIV o subisce un trattamento con un farmaco immunosoppressivo, come TNF inibitori^4,5,6. Tubercolosi attiva della malattia si presenta anche come uno spettro, con la maggior parte delle persone con TB polmonare, che colpisce i polmoni e i linfonodi toracici. Tuttavia, M. tuberculosis può infettare qualsiasi organo, così che l’infezione può anche presentare in luoghi extrapulmonary della partecipazione.

Il marchio di garanzia patologico dell’infezione di tubercolosi del M. è una struttura sferica organizzata della cellula ospite, chiamato il granuloma. Macrofagi, linfociti T e cellule di B sono componenti importanti del granuloma, con un numero variabile di neutrofili⁷. Il centro del granuloma è spesso necrotico. Così, i granulomi funzionano come un microambiente immunitario per uccidere o contenere i bacilli, impedendo la diffusione ad altre parti dei polmoni. Tuttavia, M. tuberculosis può sovvertire uccisione di granuloma e persistono all’interno di queste strutture per decenni. Coerente e regolare monitoraggio per lo sviluppo della malattia di TB attiva dopo nuova infezione o riattivazione della LTBI è impraticabile, scientificamente impegnativo e richiede tempo. Tecniche che studiano questi processi longitudinalmente, in esseri umani e umano-come modelli animali, sono estremamente utili per la comunità scientifica nel promuovere la comprensione delle complessità molti di M. tuberculosis infezione e malattia.

PET/CT è una tecnica di imaging estremamente utile che è stata impiegata per studiare una vasta gamma di Stati di malattia negli esseri umani e modelli animali⁸. PET è una tecnica funzionale che utilizza composti radioattivi emettitori di positroni come reporter. Questi radioisotopi sono funzionalizzati in genere ad un composto metabolico, come il glucosio, o a un gruppo di targeting che è progettato per legarsi a un recettore di interesse. Poiché le radiazioni emesse da isotopi PET sono abbastanza potente per penetrare il tessuto, concentrazioni molto basse possono essere utilizzate che consente studio sotto livelli di saturazione nel recettore-targeting composti e ad una concentrazione bassa abbastanza per non hanno alcun impatto su metabolica i processi quando usando gli agenti ad esempio 2-deoxy – 2-(¹⁸F) Fluoro-D-glucosio (FDG). CT è una tecnica di imaging tridimensionale a raggi x che utilizza diversi livelli di attenuazione di raggi x per identificare le caratteristiche fisiche degli organi all’interno del corpo⁹. Quando accoppiato con PET, CT è usato come una mappa per determinare percorsi specifici e strutture che mostrano l’assorbimento di un radiofarmaco PET. PET/CT è uno strumento potente per l’imaging in vivo sia in esseri umani e in modelli animali infettati con l’infezione di tubercolosi del M. che ha portato a molti importanti intuizioni patogenesi, risposta al trattamento farmacologico, spettro di malattia, ecc^{6 ,10,11,12}. Questo lavoro descrive metodi analitici specifici PET/CT per studiare TB in modelli di primati non umani longitudinalmente utilizzando parametri quali la dimensione del granuloma, assorbimento di FDG nelle lesioni individuali, avidità FDG intero polmone e di linfonodo e rilevamento di extrapolmonare malattia^6,10,11,12.

Questo manoscritto descrive metodologie di imaging analisi in primati non umani (NHPs), in particolare cynomolgus macachi, che vengono utilizzati per valutare longitudinalmente la progressione della malattia e trattamento farmacologico dopo l’infezione con M. tuberculosis . NHPs sono un prezioso modello animale perché quando inoculati con una dose bassa di M. tuberculosis Erdman ceppo, gli animali mostrano una varietà di risultati di malattia con ~ 50% lo sviluppo di TB attiva e gli animali restanti avendo infezione asintomatica (cioè controllare l’infezione, LTBI), fornendo il modello più vicino allo spettro clinico della malattia negli esseri umani^{3,13,14,15,16}. Riattivazione della LTBI nei macachi è innescata dagli stessi agenti che causano la riattivazione in esseri umani, di cui sono esempi del tumore, lo svuotamento CD4 o virus dell’immunodeficienza umana (HIV, con virus dell’immunodeficienza delle scimmie (SIV) della versione di macaco dell’HIV) fattore di necrosi (TNF) neutralizzazione^13,16. Inoltre, macachi presentano patologia che è estremamente simile a quello veduto in esseri umani, compreso i granulomi organizzati che si formano nei polmoni o altri organi¹⁷. Così, questo modello ha fornito importanti intuizioni delle interazioni ospite-patogeno base nell’infezione di tubercolosi del M. , come pure preziose conoscenze circa i regimi della droga e vaccini per tubercolosi^{14,18 , 19 , 20 , 21}.

Formazione immagine di PET/CT fornisce la capacità di seguire l’aspetto, la distribuzione e la progressione dei granulomi individuali. Questo lavoro è principalmente utilizzato FDG come una sonda, che, come un analogo del glucosio, incorpora nelle cellule ospiti metabolicamente attivi, come i macrofagi, neutrofili e linfociti⁸, che sono tutti in granulomi. Così, il FDG è un proxy per infiammazione host. Le procedure di analisi dettagliate nel presente documento utilizza OsiriX, un visualizzatore DICOM ampiamente usato disponibile per acquisto e utilizzo. I metodi di analisi di immagine descritti traccia la forma, la dimensione e l’attività metabolica (tramite captazione di FDG) dei granulomi individuali nel tempo e utilizza imaging come una mappa per l’identificazione di lesioni specifiche all’autopsia degli animali. Inoltre, è stato sviluppato un metodo separato che quantifica la somma dell’assorbimento di FDG nel polmone sopra una determinata soglia (SUV ≥ 2.3) e utilizza questo valore per valutare le differenze tra controllo e nei gruppi sperimentali attraverso gli studi che vanno da vaccino prove di modelli di co-infezione. Questi dati sostengono che questa misura complessiva dell’assorbimento di FDG nei polmoni è correlata con carica batterica, fornendo così informazioni sullo stato di malattia. Simili analisi possono essere eseguite sulla captazione di FDG dei linfonodi toracici per studiare la progressione della malattia pure. Il seguente protocollo descrive il processo sperimentale da infezione animale attraverso analisi d’immagine.