Describimos un método experimental preclínico para evaluar la neuromodulación metabólica inducida por la estimulación cerebral profunda aguda con FDG-PET in vivo . Este manuscrito incluye todos los pasos experimentales, desde la cirugía estereotáxica hasta la aplicación del tratamiento de estimulación y la adquisición, procesamiento y análisis de imágenes PET.
La estimulación cerebral profunda (DBS) es una técnica neuroquirúrgica invasiva basada en la aplicación de pulsos eléctricos a las estructuras cerebrales implicadas en la fisiopatología del paciente. A pesar de la larga historia de DBS, su mecanismo de acción y protocolos apropiados siguen sin estar claros, destacando la necesidad de investigación con el objetivo de resolver estos enigmas. En este sentido, evaluar los efectos in vivo de la ECP utilizando técnicas de imagen funcional representa una estrategia poderosa para determinar el impacto de la estimulación en la dinámica cerebral. Aquí, se describe un protocolo experimental para modelos preclínicos (ratas Wistar), combinado con un estudio longitudinal [18F]-tomografía por emisión de positrones fluorodesoxiclucosa (FDG-PET), para evaluar las consecuencias agudas de DBS en el metabolismo cerebral. Primero, los animales se sometieron a cirugía estereotáctica para la implantación bilateral de electrodos en la corteza prefrontal. Se adquirió una tomografía computarizada (TC) postquirúrgica de cada animal para verificar la colocación del electrodo. Después de una semana de recuperación, se adquirió un primer FDG-PET estático de cada animal operado sin estimulación (D1), y dos días después (D2), se adquirió un segundo FDG-PET mientras se estimulaban los animales. Para eso, los electrodos se conectaron a un estimulador aislado después de administrar FDG a los animales. Por lo tanto, los animales fueron estimulados durante el período de captación de FDG (45 min), registrando los efectos agudos de DBS en el metabolismo cerebral. Dada la naturaleza exploratoria de este estudio, las imágenes FDG-PET se analizaron mediante un enfoque de vóxeles basado en una prueba T pareada entre los estudios D1 y D2. En general, la combinación de DBS y estudios de imagen permite describir las consecuencias de la neuromodulación en las redes neuronales, lo que en última instancia ayuda a desentrañar los enigmas que rodean a DBS.
El término neuroestimulación engloba una serie de técnicas diferentes dirigidas a estimular el sistema nervioso con un objetivo terapéutico1. Entre ellas, la estimulación cerebral profunda (ECP) destaca como una de las estrategias de neuroestimulación más extendidas en la práctica clínica. La DBS consiste en la estimulación de núcleos cerebrales profundos con pulsos eléctricos entregados por un neuroestimulador, implantados directamente en el cuerpo del paciente, a través de electrodos colocados en el objetivo cerebral para ser modulados por cirugía estereotáctica. El número de artículos que evalúan la viabilidad de la aplicación de DBS en diferentes trastornos neurológicos y psiquiátricos está creciendo continuamente2, aunque solo algunos de ellos han sido aprobados por la Food and Drug Association (FDA) (es decir, temblor esencial, enfermedad de Parkinson, distonía, trastorno obsesivo-compulsivo y epilepsia médicamente refractaria)3 . Además, se están investigando un gran número de dianas cerebrales y protocolos de estimulación para el tratamiento de la ECP de muchas más patologías de las aprobadas oficialmente, pero ninguna de ellas se considera definitiva. Estas inconsistencias en la investigación de ECP y los procedimientos clínicos pueden deberse en parte a la falta de comprensión completa de su mecanismo de acción4. Por lo tanto, se están haciendo grandes esfuerzos para descifrar los efectos in vivo de DBS en la dinámica cerebral, ya que cada avance, por pequeño que sea, ayudará a refinar los protocolos de DBS para un mayor éxito terapéutico.
En este contexto, las técnicas de imagen molecular abren una ventana directa para observar los efectos neuromoduladores in vivo de la ECP. Estos enfoques brindan la oportunidad no solo de determinar el impacto de la ECP mientras se aplica, sino también de desentrañar la naturaleza de sus consecuencias, prevenir efectos secundarios no deseados y mejoría clínica, e incluso adaptar los parámetros de estimulación a las necesidades del paciente5. Entre estos métodos, la tomografía por emisión de positrones (PET) con 2-desoxi-2-[18F]fluoro-D-glucosa (FDG) es de particular interés porque proporciona información específica y en tiempo real sobre el estado de activación de diferentes regiones cerebrales6. Específicamente, la imagen FDG-PET proporciona una evaluación indirecta de la activación neuronal basada en el principio fisiológico del acoplamiento metabólico entre las neuronas y las células gliales6. En este sentido, varios estudios clínicos han reportado patrones de actividad cerebral modulados por DBS usando FDG-PET (ver3 para revisión). Sin embargo, los estudios clínicos incurren fácilmente en varios inconvenientes cuando se centran en los pacientes, como la heterogeneidad o las dificultades de reclutamiento, que limitan fuertemente su potencial de investigación6. Este contexto lleva a los investigadores a utilizar modelos animales de condiciones humanas para evaluar enfoques biomédicos antes de su traducción clínica o, si ya se aplican en la práctica clínica, para explicar el origen fisiológico de los beneficios terapéuticos o efectos secundarios. Por lo tanto, a pesar de las grandes distancias entre la patología humana y la condición modelada en animales de laboratorio, estos enfoques preclínicos son esenciales para una transición segura y efectiva a la práctica clínica.
Este manuscrito describe un protocolo experimental de DBS para modelos murinos, combinado con un estudio longitudinal de FDG-PET, con el fin de evaluar las consecuencias agudas de DBS en el metabolismo cerebral. Los resultados obtenidos con este protocolo pueden ayudar a desentrañar los intrincados patrones moduladores inducidos en la actividad cerebral por DBS. Por lo tanto, se proporciona una estrategia experimental adecuada para examinar in vivo las consecuencias de la estimulación, lo que permite a los médicos anticipar los efectos terapéuticos en circunstancias específicas y luego adaptar los parámetros de estimulación a las necesidades del paciente.
Dados los avances en la comprensión de la función cerebral y las redes neuronales involucradas en la fisiopatología de los trastornos neuropsiquiátricos, cada vez más investigaciones reconocen el potencial de la ECP en una amplia gama de patologías de base neurológica2. Sin embargo, el mecanismo de acción de esta terapia sigue sin estar claro. Varias teorías han intentado explicar los efectos obtenidos en circunstancias patológicas y de estimulación específicas, pero la heterogeneidad …
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a la Prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco y Yolanda Sierra por su inestimable apoyo en la optimización de la metodología aquí descrita. MLS contó con el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (número de proyecto PI17/01766 y número de subvención BA21/0030) cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), “A way to make Europe”; CIBERSAM (número de proyecto CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (número de proyecto 2017/085); Fundación Mapfre; y Fundación Alicia Koplowitz. MCV contó con el apoyo de la Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno como becaria de esta institución, y del Programa Conjunto de la UE – Investigación de Enfermedades Neurodegenerativas (JPND). DRM fue apoyado por la Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, cofinanciado por el Fondo Social Europeo “Invertir en tu futuro” (número de subvención PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR contó con el apoyo del Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. El trabajo de MD fue apoyado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) y el Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044). El CNIC cuenta con el apoyo del Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), el Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) y la Fundación Pro CNIC, y es un Centro de Excelencia Severo Ochoa (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 |