Wir beschreiben eine präklinische experimentelle Methode zur Bewertung der metabolischen Neuromodulation, die durch akute Tiefe Hirnstimulation mit in vivo FDG-PET induziert wird. Dieses Manuskript umfasst alle experimentellen Schritte, von der stereotaktischen Chirurgie über die Anwendung der Stimulationsbehandlung bis hin zur Aufnahme, Verarbeitung und Analyse von PET-Bildern.
Die Tiefenhirnstimulation (THS) ist eine invasive neurochirurgische Technik, die auf der Anwendung elektrischer Impulse auf Gehirnstrukturen basiert, die an der Pathophysiologie des Patienten beteiligt sind. Trotz der langen Geschichte der THS bleiben ihr Wirkmechanismus und die entsprechenden Protokolle unklar, was die Notwendigkeit von Forschung unterstreicht, um diese Rätsel zu lösen. In diesem Sinne stellt die Bewertung der In-vivo-Effekte von THS mit funktionellen Bildgebungsverfahren eine leistungsfähige Strategie dar, um den Einfluss der Stimulation auf die Gehirndynamik zu bestimmen. Hier wird ein experimentelles Protokoll für präklinische Modelle (Wistar-Ratten) in Kombination mit einer Längsschnittstudie [18F]-Fluordesoxyclucose-Positronen-Emissions-Tomographie (FDG-PET) beschrieben, um die akuten Folgen von THS auf den Hirnstoffwechsel zu beurteilen. Zunächst wurden die Tiere stereotaktisch operiert, um Elektroden bilateral in den präfrontalen Kortex zu implantieren. Ein postoperativer Computertomograph (CT) jedes Tieres wurde erstellt, um die Elektrodenplatzierung zu überprüfen. Nach einer Woche der Erholung wurde von jedem operierten Tier ein erstes statisches FDG-PET ohne Stimulation (D1) und zwei Tage später (D2) ein zweites FDG-PET erworben, während die Tiere stimuliert wurden. Dazu wurden die Elektroden nach der Verabreichung von FDG an die Tiere mit einem isolierten Stimulator verbunden. So wurden die Tiere während der FDG-Aufnahmephase (45 min) stimuliert und die akuten Auswirkungen von THS auf den Gehirnstoffwechsel aufgezeichnet. Angesichts des explorativen Charakters dieser Studie wurden FDG-PET-Bilder durch einen voxelweisen Ansatz analysiert, der auf einem gepaarten T-Test zwischen D1- und D2-Studien basiert. Insgesamt ermöglicht die Kombination von THS- und Bildgebungsstudien die Beschreibung der Neuromodulationsfolgen auf neuronale Netze, was letztendlich dazu beiträgt, die Rätsel rund um THS zu lösen.
Der Begriff Neurostimulation umfasst eine Reihe verschiedener Techniken, die darauf abzielen, das Nervensystem mit einem therapeutischen Ziel1 zu stimulieren. Unter ihnen sticht die Tiefe Hirnstimulation (THS) als eine der am weitesten verbreiteten Neurostimulationsstrategien in der klinischen Praxis hervor. THS besteht aus der Stimulation tiefer Hirnkerne mit elektrischen Impulsen, die von einem Neurostimulator abgegeben werden, der direkt in den Körper des Patienten implantiert wird, durch Elektroden, die in das Gehirnziel platziert werden, um durch stereotaktische Chirurgie moduliert zu werden. Die Anzahl der Artikel, die die Durchführbarkeit der DBS-Anwendung bei verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen bewerten, wächst kontinuierlich2, obwohl nur einige von ihnen von der Food and Drug Association (FDA) zugelassen wurden (d. h. essentieller Tremor, Parkinson-Krankheit, Dystonie, Zwangsstörung und medizinisch refraktäre Epilepsie)3 . Darüber hinaus wird eine große Anzahl von Gehirnzielen und Stimulationsprotokollen für die THS-Behandlung von viel mehr Pathologien als offiziell genehmigt erforscht, aber keiner von ihnen gilt als endgültig. Diese Inkonsistenzen in der THS-Forschung und den klinischen Verfahren können zum Teil auf ein mangelndes vollständiges Verständnis ihres Wirkmechanismus zurückzuführensein 4. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die In-vivo-Effekte von THS auf die Gehirndynamik zu entschlüsseln, da jeder Fortschritt, wie klein er auch sein mag, dazu beitragen wird, DBS-Protokolle für einen größeren therapeutischen Erfolg zu verfeinern.
In diesem Zusammenhang öffnen molekulare bildgebende Verfahren ein direktes Fenster, um in vivo neuromodulatorische Effekte von THS zu beobachten. Diese Ansätze bieten die Möglichkeit, nicht nur die Auswirkungen der THS während der Anwendung zu bestimmen, sondern auch die Art ihrer Folgen zu entschlüsseln, unerwünschte Nebenwirkungen und klinische Verbesserungen zu verhindern und sogar die Stimulationsparameter an die Bedürfnisse des Patienten anzupassen5. Unter diesen Methoden ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) mit 2-Desoxy-2-[18F]fluor-D-Glucose (FDG) von besonderem Interesse, da sie spezifische Echtzeitinformationen über den Aktivierungszustand verschiedener Hirnregionen liefert6. Insbesondere bietet die FDG-PET-Bildgebung eine indirekte Bewertung der neuronalen Aktivierung basierend auf dem physiologischen Prinzip der metabolischen Kopplung zwischen Neuronen und Gliazellen6. In diesem Sinne haben mehrere klinische Studien DBS-modulierte Gehirnaktivitätsmuster unter Verwendung von FDG-PET berichtet (siehe3 für die Übersicht). Dennoch haben klinische Studien leicht einige Nachteile, wenn sie sich auf Patienten konzentrieren, wie Heterogenität oder Rekrutierungsschwierigkeiten, die ihr Forschungspotenzial stark einschränken6. Dieser Kontext führt dazu, dass Forscher Tiermodelle menschlicher Erkrankungen verwenden, um biomedizinische Ansätze vor ihrer klinischen Translation zu bewerten oder, wenn sie bereits in der klinischen Praxis angewendet werden, den physiologischen Ursprung therapeutischer Vorteile oder Nebenwirkungen zu erklären. Trotz der großen Distanzen zwischen der menschlichen Pathologie und dem modellierten Zustand bei Labortieren sind diese präklinischen Ansätze für einen sicheren und effektiven Übergang in die klinische Praxis unerlässlich.
Dieses Manuskript beschreibt ein experimentelles DBS-Protokoll für murine Modelle, kombiniert mit einer longitudinalen FDG-PET-Studie, um die akuten Folgen von THS auf den Gehirnstoffwechsel abzuschätzen. Die mit diesem Protokoll erzielten Ergebnisse können dazu beitragen, die komplizierten modulatorischen Muster zu entschlüsseln, die durch THS auf die Gehirnaktivität induziert werden. Daher wird eine geeignete experimentelle Strategie zur Untersuchung der Konsequenzen der Stimulation in vivo bereitgestellt, die es Klinikern ermöglicht, therapeutische Effekte unter bestimmten Umständen zu antizipieren und dann die Stimulationsparameter an die Bedürfnisse des Patienten anzupassen.
Angesichts der Fortschritte im Verständnis der Gehirnfunktion und der neuronalen Netzwerke, die an der Pathophysiologie neuropsychiatrischer Erkrankungen beteiligt sind, erkennen immer mehr Forschungen das Potenzial von THS in einer Vielzahl von neurologisch basierten Pathologien2. Der Wirkmechanismus dieser Therapie bleibt jedoch unklar. Mehrere Theorien haben versucht, die unter spezifischen pathologischen und stimulierenden Umständen erzielten Wirkungen zu erklären, aber die Heterogenität d…
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco und Yolanda Sierra für ihre unschätzbare Unterstützung bei der Optimierung der hier beschriebenen Methodik. MLS wurde vom Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (Projektnummer PI17/01766 und Fördernummer BA21/0030) unterstützt, kofinanziert vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), “A way to make Europe”; CIBERSAM (Projektnummer CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (Projektnummer 2017/085); Fundación Mapfre; und Fundación Alicia Koplowitz. MCV wurde von der Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno als Stipendiatin dieser Einrichtung und dem EU Joint Programme – Neurodegenerative Disease Research (JPND) unterstützt. DRM wurde unterstützt von Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, kofinanziert durch den Europäischen Sozialfonds “Investing in your future” (Förderkennzeichen PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR wurde unterstützt vom Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. Die MD-Arbeit wurde vom Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) und dem Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) unterstützt (PT20/00044). Das CNIC wird vom Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), dem Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) und der Stiftung Pro CNIC unterstützt und ist ein Severo Ochoa Center of Excellence (SEV-2015-0505).
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 |