啮齿动物脑受体定量成像

摘要：正电子发射断层扫描（PET）是一种无创成像技术，用于描述体内代谢、生理和生化过程。这些包括受体的可用性，代谢变化，神经递质的释放，以及大脑中基因表达的改变。随着专用小动物PET系统的引入以及许多新型PET成像探针的开发，在过去的十年中，在基础生物医学研究中使用大鼠和小鼠进行PET研究的数量大大增加。本文综述了啮齿动物脑定量成像的挑战和进展，以使读者认识到它的物理局限性，并启发他们在临床前研究中的潜在应用。在第一部分中，我们简要讨论了小动物PET系统在空间分辨率和灵敏度方面的局限性，并指出了检测器开发方面的可能改进。此外，总结了啮齿动物PET研究中使用的不同采集和后处理方法。我们将进一步讨论影响小动物PET研究中重测变异性的因素，例如不同的受体定量方法，这些方法主要从人类转化为啮齿动物受体研究，以确定结合潜力以及受体可利用性和放射性配体亲和力的变化。我们进一步回顾了在啮齿动物和PET研究中获得定量结合数据的不同动力学建模方法，这些研究侧重于通过药物干预量化内源性神经递质释放。由于有几种对多巴胺释放敏感的PET示踪剂，一些研究集中在多巴胺系统上，其他神经递质系统也越来越受到关注，本文也对其进行了描述。我们进一步概述最新的基因组工程技术，包括CRISPR/Cas9和DREADD 系统，这些技术可以促进我们对大脑疾病和功能的理解，以及成像技术如何成功地应用于人类大脑疾病的动物模型。

简介：人口结构的变化导致全世界越来越多的老年人患有神经退行性疾病或神经精神疾病，如帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD）、严重抑郁和焦虑症。因此，关于这些疾病的诊断，分期和新疗法开发的研究具有重要的医学和社会政治意义。出于道德考虑和法律要求，许多研究问题（包括与开发新疗法，药物和生物标志物有关的一些问题）无法直接在人类中解决。特别是，转基因的小鼠和大鼠神经系统疾病模型极大地增进了我们对许多脑部疾病的理解，并可能为治疗方法的开发提供新途径。专用小动物正电子发射断层扫描（PET）系统的技术进步，以及新型放射性示踪剂的发展，使得PET在基础，临床前和转化环境下的小型实验动物模型中得到使用。小动物PET在临床前和基础科学中的主要优势在于，可以在同一动物中使用纵向研究设计进行活体研究，最大限度地减少每个队列所需的动物数量，并最大限度地提高数据的统计效用，因为同一动物可以在多个时间点进行测量；相比之下，免疫组化或其他杂交实验要求在每个测量时间点处死动物。小动物PET在基础研究中促进了对疾病分子机制的理解，导致了临床前领域治疗方法和新疾病模型的发展；但是，它也涉及定性和定量问题，与对某项研究中使用的方法和模型的描述有关，导致无法再现的结果。 此外，不正确的研究设计以及不正确的数据分析和解释将在很大程度上影响结果参数。此外，小动物PET技术具有固有的物理局限性，可能会影响量化的准确性。此外，这些系统的时间分辨率有限，因此很难检测动态过程中快速的分子和功能变化。 另外，只能通过非常简化的模型和方法来描述PET示踪剂的药代动力学，而这些模型和方法不足以说明复杂的生物学现象。在进行数据分析和解释时，必须考虑量化的不准确性和不足。 这包括通过团注实验、质量效应和部分体积效应（PVE）估算结合值。此外，在以定量方式进行PET实验之前，必须仔细评估和标准化动物处理，数据采集，重建和校正。

技术、方法学、生物学和放射化学方面影响啮齿类动物PET脑研究的定量准确性。

专用高分辨率小动物PET系统：

已经使用可商购的临床前PET系统进行了许多小动物受体研究。利用PET成像技术解决啮齿类动物脑内的小结构是可行的，但由于小动物PET系统的空间分辨率相对较低，与啮齿类动物脑中的微小结构相比，具有一定的挑战性。空间分辨率与晶体尺寸直接相关，较小的晶体可提供更好的空间分辨率，由于视差效应，如果使用长晶体，通常会降低视场中心之外的分辨率。虽然人脑的体积约为1200立方厘米，但大鼠和老鼠的大脑体积分别为~2和0.5立方厘米，这使它们比人脑小约600和2400倍。相反，与人类扫描仪相比，临床前扫描仪的体积分辨率仅增加了约30倍。 从整个大脑缩小到特定的大脑区域，产生的兴趣体积（VOI）仅为几立方毫米。尤其是在小鼠中，黑质（〜2 mm3），苍白球（〜2-3 mm3），伏隔核（〜5-6 mm3），前额叶（〜5 mm3）。 约1.8 mm3）和体感皮层（约6 mm3），下丘脑（约6 mm3），背侧（约7-8 mm3）和腹侧海马（约6 mm3），在受体定量方面特别重要 ，无法与周围区域完全区分开。因此，为了可靠地量化小脑结构，用于量化小鼠大脑中受体利用率变化的成像技术需要提供更高的空间分辨率，但这通常会导致灵敏度降低。但是，低灵敏度是一个严重的问题，尤其是在小动物PET研究中。只有一小部分注射的示踪剂积聚在啮齿动物脑中，而特异性结合的放射性示踪剂（SB）的一部分主要来自目标脑区域中示踪剂摄取与参考区域中参考区域摄取的比率。 注射后30至60分钟的时间段，此时大部分初始放射性示踪剂剂量（通常是半衰期约为20分钟的C-11示踪剂）已经衰减。 但是，增加注射剂量会导致违反示踪剂原理（<1％的受体占有率），导致定量错误。因此，为了提供定量正确的啮齿动物受体功能的成像数据，小动物PET系统需要高灵敏度和高空间分辨率。 考虑到基本限制，可以通过将系统的环直径减小到啮齿动物头部的大小来优化PET系统的空间分辨率。 此外，解析晶体中γ光子的确切位置可以提高FOV内的采样率。 这种改进导致空间分辨率的提高，并有助于在整个FOV中保持恒定。因此，交互深度分辨率解决了视差误差，并允许在高分辨率PET系统中使用长晶体，从而提高了灵敏度。检测器的开发是一个活跃的研究领域，毫无疑问，它将在未来几年内进一步提高临床前PET系统的分辨率和灵敏度。

数据采集，更正和重建：

啮齿动物受体成像需要专用的硬件和软件，以及对动物的适当生理监测，以能够可靠，定量地测量受体的有效性。 PET通常具有有限的空间分辨率，并且根据设置的不同，可能会受到相对较高的噪声水平的影响，尤其是在使用短半衰期示踪剂动态采集小型结构时。 因此，所获取数据的可靠性和可再现性在很大程度上取决于数据获取，校正和重建的标准化。为了利用动力学模型来确定受体的可用性，经常进行动态体内PET实验。用于受体成像的大多数PET示踪剂都是用同位素C-11进行放射性标记的，由于示踪分子上的甲基被放射性同位素C-11取代，这使得标记过程比其他同位素更简单。但是，在过去几年中，越来越多的F-18标记放射性示踪剂被开发出来，以规避C-11的特定缺点。其中包括F-18的短半衰期为20.4分钟，因此有必要生产高摩尔活度，以避免大体积注入产生的质量效应，以及由于C-11的正电子范围较大而导致的较低空间分辨率。 此外，通过一次F-18合成，可以扫描更多的动物，从而减少了合成时间和成本。 根据示踪剂动力学，动态采集通常在60–90分钟的过程中执行。 时间-活动曲线（TAC）的时间分辨率是动力学建模的重要因素，并且受到所选的PET采集动态框架的影响。 在采集开始时需要较短的帧以完全解决灌注峰和快速的示踪动力学，而在采集结束时需要较长的帧以解决由于同位素衰减而导致的计数较低的问题。 因此，扫描仪需要能够处理放射性和计数率的较大动态范围，这反过来又要求较高的检测灵敏度和计数率性能。示踪剂注射可以通过一次注射或一次注射和连续的示踪剂注射相结合来进行。通过进行此类实验，无需动力学建模即可简单地从目标区域和参考区域的比例中获得特异性结合，从而减少了对动力学模型的依赖性。此外，推注技术使研究人员能够在一只动物和一个PET实验中进行干预研究。 平衡时的特异性结合代表基线条件，并且可以与干预后（即药物应用）后的特异性结合进行比较。 因此，使用这样的协议，可以对同一只动物进行基线和干预，并进行扫描，从而获得更可靠的结果，并大大减少了研究中所需的动物数量。到目前为止，至少据我们所知，还没有一种金标准的脑受体成像和量化重建算法。无论采用何种重建方法，若干物理限制都会妨碍所获得数据的量化精度，并且需要应用一些基本校正来确保数据具有良好的可靠性和量化

使用不同的2D和3D重建算法后，raclopride小鼠大脑PET图像的比较。（a），CT与Co-57衰减校正（b），增加基质尺寸（c），增加注射活性（d）和增加注射剂量（e）。

定量精度：部分体积效应，溢出，质量效应和数据重现性

除了上述几点，当需要精确的定量数据时，还需要考虑PVE。PVE的发生是由于PET系统有限的空间分辨率，以及从周围组织溢出到靶区的活性溢出。作为PVE的结果，所测得的活性浓度不能反映给定组织中的实际活性浓度，从而改变了PET信号，从而改变了定量准确性。

啮齿类动物神经递质释放的定量研究：

神经递质信号传导异常涉及许多神经精神病和神经退行性疾病。 目前，用于量化突触间隙中神经递质变化的金标准方法是体内微透析，该方法可以定量检测从基线开始15-20％范围内的神经递质变化，并具有纳摩尔灵敏度。但是，与PET相比，微透析实验具有很高的侵入性，只能用于测量大脑不同区域的神经递质变化，并且时间分辨率严重受限（每10到20分钟一个样本）。因此，体内神经递质释放的PET成像越来越多地用于非侵入性地量化啮齿动物大脑中神经递质的浓度变化。但是，只能通过间接方法获得PET对神经递质变化的定量分析，因为无法直接检测内源性神经递质。文献中描述了两种药物激发后PET信号变化的主要模型：占据模型，其中PET受体示踪剂和神经递质在受体上竞争相同的结合位点，以及内化模型，神经递质浓度的增加导致激动剂诱导的突触后膜受体内化。

与多巴胺能系统相反，其他神经递质系统的成像在过去更具挑战性。 关于5-羟色胺能系统，已显示出一些有希望的候选物对量化5-羟色胺（5-HT）释放无效。但是，最近在猪脑中使用PET放射性示踪剂检测5-HT2A受体和5-HT1B受体的研究表明，有关量化5-HT释放的结果令人鼓舞。随着新型PET受体配体的数量增加，将有更多有前途的候选物可用于量化大脑中其他神经递质系统，例如GABA和谷氨酸（GLU）系统。 

动物模型：

近年来，转基因和毒素诱导的动物模型迅速发展，为神经系统疾病的病理生理学、进展和治疗提供了许多见解。CRISPR/Cas9系统的基因组工程方法学的最新进展提供了一种新的分子工具，通过基因敲除、过度表达和突变，以更高的精确度模拟疾病表型，并将特定基因与分子变化联系起来。CRISPR / Cas9加快了转基因动物的产生，目前正在研究几种工具以优化体内向大脑的递送。目前，腺相关病毒（AAV）载体以其组织扩散、稳定的转基因表达、多功能性、毒性小、具有转化潜能等优点而成为最具吸引力的方法。一个新的亨廷顿病（HD）小鼠模型已经通过AAV-CRISPR纹状体注射有效地靶向和灭活了突变的Htt等位基因。此外，这种强大的基因工程技术将疾病建模的可能性扩展到大型动物物种，如猪和非人类灵长类动物，迄今为止，基因编辑一直是一个挑战。事实上，由设计药物（DREADDs）激活的设计受体已经从天然的受体中被改造成只对特定的配体作出反应，通过神经递质模仿受体的内源性刺激。这种方法允许选择性调节和识别神经元回路和信号，从而指定社交行为，成瘾和进食。该系统的主要缺点是由于配体氯氮平-N-氧化物（CNO）在体内反向转化为氯氮平而对野生型DA、HIS和5-HT受体产生非靶向效应提供适当的对照组，不表达DREADD，但接受配体，DREADD可被认为是剖析与神经退行性疾病有关的途径的有效策略。在所有的神经影像学方法中，PET提供了最高的敏感性，并可以定量评估转基因动物大脑中的受体，转运蛋白，神经递质和聚集蛋白。聚集蛋白的成像已在AD小鼠模型中成功显示。但是，与AD的情况相反，尚无可用的PET示踪剂来评估人和PD动物模型大脑中的α-突触核蛋白病理。PET成像在评估基因疗法的功效方面也起着关键作用，目前它是最有吸引力的治疗方法之一。

PET/MRI在神经递质受体相互作用研究中的应用：

多模态成像的一个主要优点是多种成像方法的协同应用，以测量相似或不同的生化和形态学状态。Wehrl等人报告了一项同时进行的PET/MRI研究，研究刺激大鼠触须后的大脑功能。Wehrl等人报告了PET和功能磁共振成像激活谱之间的空间和数量差异，揭示了两种模式的全面和互补信息。同时进行功能性神经成像的PET / MRI的独特优势是从两种成像方式中揭示的数据具有高度的时间相关性。这具有多种优势，因为可以使用PET和fMRI技术同时监测功能性神经递质过程，以研究神经递质-受体可塑性的多个阶段。因此，PET/MRI能够在不同水平上监测体内过程，例如，当PET监测受体可塑性或血流变化时，可以使用fMRI的血氧水平依赖性（BOLD）效应来监测大脑活动。总的来说，这个多功能的数据集显示了同步PET/fMRI的实用性，将神经化学特征与血流动力学变化联系起来，为健康和患病鼠脑中不同受体系统的活体研究铺平了道路。

同时使用PET/BOLD功能磁共振成像绘制神经元活动的示意图

定量受体成像在临床转化中的应用：

临床前系统的技术进步和特殊神经递质的发展已积极地转化为临床领域。然而，为了成功地将这些发现转化为人类的情景，有必要对人类和动物实验中的实验条件进行持续的审查，以便在转化领域取得准确的进展。

结论与展望：临床前实验室已转化为临床领域的示踪剂的临床应用表明，临床前研究可以提供临床解决方案。尽管PET成像有一些固有的物理限制，但现在可以用一种可重复和可靠的方式量化实验动物的受体结合参数。虽然单用PET不能对受体和神经递质的变化进行绝对量化，但它与其他体外方法（如免疫组织化学、放射自显影、高效液相色谱和微透析）相结合，在科学知识方面获得了巨大的收获。此外，它允许在同一受试者中进行纵向体内研究，从而减少参与研究的实验动物数量，提高数据的统计可靠性，并支持将临床前结果转化为临床应用。

原文出自：https://link.springer.com/article/10.1007/s11307-019-01368-9