Phương pháp phân vùng mới để phân tích chuyển hóa FDG ở gan trong các mô hình động vật nhỏ

Springer Science and Business Media LLC - Tập 5 Số 1 - 2015
Sara Garbarino1, Valentina Vivaldi1, Fabrice Delbary1, Giacomo Caviglia1, Michele Piana1, Cecilia Marini2, Selene Capitanio3, Iolanda Calamia3, Ambra Buschiazzo3, Gianmario Sambuceti3
1Dipartimento di Matematica, Università di Genova, Via Dodecaneso 35, 16146 Genova, Italy
2CNR Institute of Molecular Bioimaging and Physiology Milan, section of Genova, c/o Nuclear Medicine, Largo Rossana Benzi 10, 16132, Genova, Italy
3Nuclear Medicine Unit, IRCCS AOU San Martino-IST, Università di Genova, Largo Benzi 10, 16132, Genova, Italy

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề Phân tích phân vùng là một phương pháp tiêu chuẩn để định lượng các quá trình trao đổi chất bằng cách sử dụng positron emission tomography (PET) với fluorodeoxyglucose (FDG). Đối với các nghiên cứu về gan, phân tích này rất phức tạp do khả năng khử phosphoryl hóa và giải phóng glucose cùng FDG vào máu của các tế bào gan (hepatocyte). Hơn nữa, một chất đánh dấu (tracer) được cung cấp cho gan qua cả động mạch gan và tĩnh mạch cửa, điều này không thể quan sát thấy trong hình ảnh PET. Nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp tính toán sáng tạo, xem xét bản chất có thể đảo ngược của FDG trong gan và tính toán trực tiếp nồng độ chất đánh dấu của tĩnh mạch cửa thông qua các phép đo radioactivity trong ruột. Phương pháp Hai mươi một con chuột được chia thành ba nhóm: nhóm kiểm soát ‘CTR’ (n = 7) không nhận bất kỳ điều trị nào, nhóm nhịn ăn ngắn hạn ‘STS’ (n = 7) bị thiếu ăn với quyền truy cập tự do vào nước trong vòng 48 giờ trước khi chụp hình, và nhóm metformin ‘MTF’ (n = 7) được điều trị bằng metformin (750 mg/kg mỗi ngày) trong 1 tháng. Tất cả chuột đã thực hiện một nghiên cứu micro-PET động học trong 50 phút sau khi tiêm 18F-FDG. Phân tích phân vùng xem xét hai bể FDG (phosphorylated và free) trong cả ruột và gan. Một chất đánh dấu được chuyển vào gan qua động mạch gan và tĩnh mạch cửa, và việc cung cấp chất đánh dấu từ ruột được coi là đầu vào duy nhất cho nồng độ chất đánh dấu của tĩnh mạch cửa. Theo đó, cả gan và ruột đều được mô tả bằng hai khoang và hai hệ số trao đổi. Mỗi mô hình hai khoang đã được mô tả bằng một hệ thống các phương trình vi phân, và tối ưu hóa dữ liệu được thực hiện bằng cách áp dụng một thuật toán Newton cho các bài toán ngược liên quan đến các hệ phương trình vi phân này. Kết quả Tất cả các hằng số tỷ lệ đều ổn định trong mỗi nhóm. Hệ số chất đánh dấu từ phân khoang tự do sang khoang đã chuyển hóa trong gan đã tăng lên ở nhóm STS, trong khi không bị thay đổi bởi MTF. Ngược lại, hệ số chất đánh dấu từ khoang đã chuyển hóa sang khoang tự do đã giảm đi do MTF và tăng lên do STS. Kết luận Dữ liệu cho thấy rằng phương pháp của chúng tôi có khả năng phân tích động học FDG dưới sự kích thích thuốc hoặc bệnh lý, định lượng phần trăm chất đánh dấu bị giữ lại trong gan hoặc được khử phosphoryl hóa và giải phóng vào tuần hoàn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Basu A, Basu R, Shah P, Vella A, Johnson CM, Nair KS, et al. Effects of type 2 diabetes on the ability of insulin and glucose to regulate splanchnic and muscle glucose metabolism: evidence for a defect in hepatic glucokinase activity. Diabetes. 2000;49:272–83.

Choi Y, Hawkins RA, Huang SC, Brunken RC, Hoh CK, Messa C, et al. Evaluation of the effect of glucose ingestion and kinetic model configurations of FDG in the normal liver. J Nucl Med. 1994;35:818–23.

Iozzo P, Hallsten K, Oikonen V, Virtanen KA, Kemppainen J, Solin O, et al. Insulin-mediated hepatic glucose uptake is impaired in type 2 diabetes: evidence for a relationship with glycemic control. J Clin Endocrinol Metab. 2003;88:2055–60.

Iozzo P, Geisler F, Oikonen V, Mäki M, Takala T, Solin O, et al. Insulin stimulates liver glucose uptake in humans: an 18 F-FDG PET study. J Nucl Med. 2003;44:682–9.

Iozzo P, Hallsten K, Oikonen V, Virtanen KA, Parkkola R, Kemppainen J, et al. Effects of metformin and rosiglitazone monotherapy on insulin-mediated hepatic glucose uptake and their relation to visceral fat in type 2 diabetes. Diabetes Care. 2003;26:2069–74.

Munk OL, Bass L, Roelsgaard K, Bender D, Hansen S, Keiding S. Liver kinetics of glucose analogs measured in pigs by PET: importance of dual-input blood sampling. J Nucl Med. 2001;42(5):795–801.

Jalving M, Gietema JA, Lefrandt JD, De Jong S, Reyners AK, Gans RO, et al. Metformin: taking away the candy for cancer? Eur J Cancer. 2010;46(13):2369–80.

Keiding S. Bringing physiology into PET of the liver. J Nucl Med. 2012;53(3):425–33.

Ferl GZ, Zhang X, Wu HM, Kreissi MC, Huang SC. Estimation of the FDG input function in mice by use of dynamic small animal PET and minimal blood sample data. J Nucl Med. 2007;48(12):2037–45.

Kudomi N, Järvisalo MJ, Kiss J, Borra R, Viljianen A, Savunen T, et al. Non-invasive estimation of hepatic glucose uptake from [18 F] FDG PET images using tissue-derived input functions. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009;36(12):2014–26.

Massollo M, Marini C, Brignone M, Emionite L, Salani B, Riondato M, et al. Metformin temporal and localized effects on gut glucose metabolism assessed using 18 F-FDG-PET in mice. J Nucl Med. 2013;54(2):259–66.

Minassian C, Daniele N, Bordet JC, Zitoun C, Mithieux G. Liver glucose-6 phosphatase activity is inhibited by refeeding in rats. J Nutr. 1995;125(11):2727–32.

Mithieux G, Vidal H, Zitoun C, Bruni N, Daniele N, Minassian C. Glucose-6-phosphatase mRNA and activity are increased to the same extent in kidney and liver of diabetic rats. Diabetes. 1996;45(7):891–6.

Munk OL, Keiding S, Bass L. Impulse-response function of splanchnic circulation with model-independent constraints: theory and experimental validation. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2003;285(4):G671–80.

Munk OL, Bass L, Feng H, Keiding S. Determination of regional flow by use of intravascular PET tracers: microvascular theory and experimental validation for pig livers. J Nucl Med. 2003;44(11):1862–70.

Winterdahl M, Keiding S, Sørensen M, Mortensen FV, Alstrup AK, Munk OL. Tracer input for kinetic modelling of liver physiology determined without sampling portal venous blood in pigs. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2011;38:263–70.

Rani SD, Nemanich ST, Fettig N, Shoghi KI. Kinetic analysis of FDG in rat liver: effect of dietary intervention on arterial and portal vein input. Nucl Med Biol. 2013;40(4):537–46.

Winterdahl M, Munk OL, Sørensen M, Mortensen FV, Keiding S. Hepatic blood perfusion measured by 3-minute dynamic 18 F-FDG PET in pigs. J Nucl Med. 2011;52(7):1119–24.

Nocedal J, Wright S. Numerical optimization. New York, NY: Springer; 1999. p. 1–10.

Tikhonov AN, Goncharsky AV, Stepanov VV, Yagola AG. Numerical methods for the solution of ill-posed problems. Dordrecht: Kluwer; 1995.

Marini C, Salani B, Massollo M, Amaro A, Esposito AI, Orengo AM, et al. Direct inhibition of hexokinase activity by metformin at least partially impairs glucose metabolism and tumor growth in experimental breast cancer. Cell Cycle. 2013;12(22):3490–9.

Slimani L, Kudomi N, Oikonen V, Jarvisalo M, Kiss J, Naum A, et al. Quantification of liver perfusion with [(15)O]H(2)O-PET and its relationship with glucose metabolism and substrate levels. J Hepatol. 2008;48(6):974–82.

Garbarino S, Caviglia G, Sambuceti G, Benvenuto F, Piana M. A novel description of FDG excretion in the renal system: application to metformin-treated models. Phys Med Biol. 2014;59(10):2469–84.

Garbarino S, Caviglia G, Brignone M, Massollo M, Sambuceti G, Piana M. Estimate of FDG excretion by means of compartmental analysis and ant colony optimization. Comput Math Methods Med. 2013;2013:10.

Limber MA, Limber MN, Cellar A, Barney JS, Borwein JM. Direct reconstruction of functional parameters for dynamic SPECT. IEEE Trans Nucl Sci. 1995;42(4):1249–56.

Wang G, Qi J. Direct estimation of kinetic parametric images for dynamic PET. Theranostics. 2013;3(10):802–15.

Sokoloff L, Reivich M, Kennedy C, Des Rosiers MH, Patlak CS, Pettigrew KD, et al. The [14C]deoxyglucose method for the measurement of local cerebral glucose utilization: theory, procedure and normal values in the conscious and anesthetized albino rat. J Neurochem. 1977;28(5):897–916.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 5 Số 1

Thông tin tác giả