8. Cikkelemzés (2011.04.04-04.10)

Cím: Simultaneous assessment of rodent behaviour and neurochemistry using a miniature positron emission tomograph

 

Válaszoló: Molnár Melinda

Rövid összefoglaló:

A cikk írói a C11-raclopride D2-receptorhoz való kötődését vizsgálták a RatCap segítségével. A C11-raclopride szelektív antagonistája D2-dopaminreceptornak. A dopaminnak meghatározó szerepe van számos folyamatban, többek között a mozgáskoordinációban is, tehát a receptorantagonista hatására az állat viselkedése várhatóan megváltozik.

A RatCap egy miniatűr PET-berendezés, melynek segítségével a raclopride felhalmozódása detektálható, és emellett alkalmazása során az állat elaltatása nem szükséges, sőt méretének és felépítésének köszönhetően biztosítja a patkány számára a szabad mozgást is. Tulajdonképpen egy rugókra függesztett gyűrű, amelyet szorosan az állat fejéhez kapcsolnak. A kortikoszteroid szintek mérésével megállapították, hogy viselése nem okoz stresszt. Tehát a RatCap lehetővé teszi az egyidejű neurokémiai és viselkedésbeli vizsgálatokat.

A kísérlet során végeztek méréseket ketamin és jelöletlen raclopride adagolásával is. A ketamin (feltehetőleg) indirekt módon serkenti az endogén dopamin felszabadulását, amely leszorítja a D2-receptorokról a radiofarmakont – a jelöletlen raclopride szintén. A PET-es eredmények ezzel összhangban voltak.

A mérések során végülis azt találták, hogy a PET eredmények pozitívan korrelálnak a viselkedésbeli változásokkal. Növekedett receptorkötés (binding potention –BP) növekedett aktivitással, még csökkent BP csökkent aktivitással jár. A módszer még további tökéletesítésre szorul, de ötletes, és hasznos a neurológiai kutatások területén.

A RatCAP tulajdonságai (http://www.chemistry.bnl.gov/ratcap/index.html):

• Fully 3D
• Transaxial (axial) field-of-view of 38 (18) mm
• Outside diameter 72 mm, weight 200 g
• Detector: LSO crystals (x384) read out by matched APD arrays
• Readout: Custom ASIC and FPGA-based timestamp module
• Offline singles list-mode data processing
• Image reconstruction using MLEM

Kérdések:

1. Miért pont PET-tel csinálták meg a RatCap-et? Más képalkotó módszerekkel is lehetséges hasonló gépezetet építeni? Volt már erre precedens?

Az agyi működés vizsgálatára fMRI-t, SPECT-et, PET-et használnak általában. A funkcionális MRI inkább különböző agyterületek aktivitásának a kimutatására és anatómiai képalkotásra alkalmas, míg az egyes receptorok jelenléte, gyógyszerek viselkedése stb. megfelelő izotóp használatával SPECT-tel vagy PET-tel jobban vizsgálható. Szerintem lehetséges lenne más képalkotó rendszerrel is hasonlót alkotni.

Ami még szabadon mozgó, éber állatok agyát vizsgálja az ún. integrated imaging microscope (IIM).

/An integrated imaging microscope for untethered cortical imaging in freely-moving animals. Murari K, Etienne-Cummings R, Cauwenberghs G, Thakor N.Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University, Baltimore, MD 21205, USA. kartik@jhu.edu/

2. Mit lehetne még vizsgálni a RatCap-pel? Alkalmas lehet a jutalmazó rendszer vizsgálatára?

Szerintem alkalmas lehet minden olyan agyi folyamat vizsgálatára, amelyre egy sima PET alkalmas. Persze elsősorban olyan esetekben érdekes ez, ahol jelentősége van az állat viselkedésének is. A jutalmazási rendszer pont ilyen, és azt gondolom, vizsgálható is ezzel. Érdekes lenne megfigyelni a táplálkozást, a kábítószerek hatását, a szexuális magatartást stb... Bár emberek és állatok ilyen szempontból nem teljesen egyformák, de bizonyos részleteket lehet, hogy jobban megismerhetnénk. Ezen kívül a tanulási folyamatot is érdekes lenne vizsgálni. Vagy gyógyszerek, hormonok, szagok, látványok, különböző ingerek hatását az agyi működésre.

3. Szerinted milyen tudományterületeken alkalmazható ez az eszköz?

A központi idegrendszer élettanának és anatómiájának (különböző pályák, agyterületek) pontosabb megismerésére lehetne alkalmazni. Vagy pl a gyógyszergyártásban.

4. Mi mindenre jó a Raclopride C 11? Miért éppen ezt a vegyületet alkalmazták?

A C11-raclopride szelektív antagonistája a 2-es típusú dopamin-receptornak (D2-R). (A D2-R G-fehérjéhez kötött receptor, aktivációja cAMP-csökkenéssel, a K+-szint emelkedésével, és Ca2+-csökkenéssel jár. Főként a mesolimbicus és a striatalis rendszerekben találkozunk D2-receptorokkal. A praefrontalis cortexben többnyire D1-receptorok vannak, ezek felelősek a kognitív funkciókért.) A központi idegrendszeri dopaminerg pályák fontos szerepet játszanak számos folyamatban:

• mozgáskoordináció (rendellenes működése következtében Parkinson-kór, chorea, ballismus stb. alakul ki)
• jutalmazási rendszer, emocionalis válaszok, motiváció (kábítószerabúzus – amphetamine, cocain); schizophrenia, pszichózis stb.
• táplálékfelvétel szabályozása
• egyes hormonok felszabadulásának szabályozása (főleg prolaktin, de növekedési hormon is)
• hányási reflex

A raclopride alkalmas a dopamin-függő rendszerek nyomon követésére, az ezzel kapcsolatos betegségek (Parkinson-kór, Huntington-chorea, schizophraenia, Alzheimer-kór, hypophysis-daganatok stb.) diagnosztizálására, etiológiájának megismerésére, esetleg terápia, gyógyszeres kezelés tervezésére.

http://www.drugs.com/mmx/raclopride-c-11.html

5. Átjut a receptorantagonista a placentán? Alkalmas lehet prenatális vizsgálatokra? PET-tel működhet ez egyáltalán?

Nem ismertek jelenleg olyan humán tanulmányok, melyek azt vizsgálták volna, hogy átjut-e a raclopride a placentán. Általános elv azonban, hogy a terhesség kontraindikáció minden sugárterheléssel járó eljárásban. Fogamzóképes korú nőkön végzett izotópos vizsgálatok, vagy terápiás beavatkozások előtt ki kell zárni a terhesség lehetőségét. Esetleg létezhetnek olyan helyzetek, ahol az izotópos vizsgálat által nyerhető információkért érdemes kockáztatni, ezt azonban az orvosnak mindig gondosan mérlegelnie kell, és a lehető legkisebb dózissal kell dolgoznia. Az biztos, hogy rutinszerűen a magzati károsodás veszélye miatt nem alkalmazható. Praenatalis vizsgálatokra UH, MRI, chorionboholyból vett minta, amniocentesis szolgálhatnak. (Egyébként az sem ismert, hogy az anyatejjel kiválasztódik-e, de a rövid felezési idejének köszönhetően mennyisége valószínűleg nem lehet jelentős.)

ttp://www.drugs.com/mmx/raclopride-c-11.html

6. Izgalmas lenne egy tanulási folyamatot végigkövetni. Ma milyen módszerekkel vizsgálják a tanulás során az agyban létrejövő neurokémiai változásokat?

A különböző folyamatok vizsgálatára emberben leginkább a fMRI, PET, SPECT és EEG módszereket használják. De vannak újabb törekvések, a legfrissebbet az idei TDK-konferencián hallottam :) :

Nagy Zoltán SE ÁOK V. – Mukli Péter SE ÁOK VI.: Humán agykérgi kognitív működés dinamikájának noninvazív vizsgálata funkcionális közeli infravörös (fNIRS) képalkotó módszerrel Témavezető(k): Dr. Eke András, Klinikai Kísérleti Kutató- és Humán Élettani Intézet és Harmann András, Klinikai Kísérleti Kutató- és Humán Élettani Intézet

Állatokon:

„Ma már közismert, hogy jutalmazási-tanulási folyamatok során és amfetamin injekció hatására a központi idegrendszerben dopamin szabadul fel. Az endogén opioidok és cannabinoidok jutalmazó-megerősítő hatása is jól ismert. Újabb adatok alapján feltételezhető, hogy számos más, az idegrendszerben felszabaduló neuropeptid (substance P, neurotenzin, oxitocin) is szerepet játszik a jutalmazási-megerősítési a folyamatokban. Kevéssé ismert azonban a dopamin – peptid interakciók mibenléte és jelentősége. A limbikus rendszerben multibarrel mikroelektroforetikus technikával tanulmányozzuk dopamin, dopamin receptor agonisták és antagonisták, valamint neuropeptidek és receptor antagonistáik hatását az idegsejtek működésére. Neuropeptidek intracerebrális mikroinjekcióját követően HPLC mikrodializis módszerrel vizsgáljuk a dopamin és metabolit szintet. Különböző állatkísérletes tanulási paradigmákban (helypreferencia, Morris féle úsztatási teszt, szorongásvizsgálat, passzív elhárítás stb) D1 és D2 receptor agonisták és antagonisták, valamint neuropeptidek és receptorantagonistáik kombinált intracerebrális mikroinjekcióját követően tanulmányozzuk wistar patkányok viselkedését. Az eredmények hozzájárulhatnak a tanulás és a drog addikció mögött álló neurokémiai folyamatok jobb megértéséhez.” (dr. Lénárd László)

ttp://aok.pte.hu/docs/phd/file/temahirdetes_elmeleti_orvostudomany_doktori_iskola_2010_2011.pdf

A különböző kognitív zavarok vizsgálatában a PET és a SPECT szerepe jelentős:

„A dementiák diagnosztikájában napjainkra már körvonalazódott a PET és a SPECT szerepe és jelentősége. A kognitív deficitek hátterében álló kórokok mielőbbi pontos diagnosztizálása terápiás és prognosztikai szempontból egyaránt fontos. A PET és SPECT meghatározott helyet foglalnak el a kivizsgálási algoritmusban: a leggyakrabban mért funkciók a vérátáramlás (SPECT-tel) és a szénhidrát-anyagcsere (PET-tel). Ezeken túl mérhető az oxigénfelhasználás és a különböző receptorok aktivitása. A dementia leggyakoribb típusában, az Alzheimer-kórban és a multiinfarctusos dementiában jellegzetes PET- és SPECT-mintázat regisztrálható. A relatíve kisebb számú, de szintén differenciáldiagnosztikai problémát jelentő frontális dementiák (Pick-kór, frontotemporalis dementia), subcorticalis dementiák (Parkinson-, Huntington- és Wilson-kór, multiszisztémás atrophia stb.), normális nyomású hydrocephalus és egyéb dementiaformák (AIDS, sclerosis multiplex stb.) ugyancsak eltérő mintázatot mutatnak. Az irodalmi áttekintésben egybehangzó eredmények erősítik meg az emissziós CT-vizsgálatok szükségességét, perspektíváit.”

/Funkcionális képalkotó vizsgálatok dementiában. I. rész

dr. Borbély Katalin, Országos Idegsebészeti Tudományos Intézet/

7. Mi magyarázza a ketamin hatását?

Ketamin: a phencyclydin (PCP) kábítószer analógja; elsősorban a kéregre és a limbicus rendszerre hat. Gátolja a glutamát hatását az NDMA-receptrokon. Úgynevezett disszociatív anesztéziát okoz (egereknél nem számít, de egyébként ezt valahogy úgy lehet elképzelni, hogy a beteg nincs ébren, de válaszolni tud, a sebész utasításait tudja követni; az adagolás kezdetén a környezetétől elszakítottnak érzi magát).

Mellékhatásai: amnesia, analgesia, fokozza az agyi vérátáramlást, ezáltal növeli az koponyaűri és szemnyomást. Ébredéskor hallucinációk, delirium, élénk álmok jelentkeznek. Gátolja centrálisan és perifériásan a katekolamin-reuptake mechanizmust, ezért nő a vérnyomás, a szívfrekvencia és a cardialis output. Ezeken kívül egyéb vegyes mellékhatások is előfordulhatnak (katatonia, nystagmus, a nyál-és könnyelválasztás fokozódik, spontán végtagmozgások stbstbstb).

Manapság leginkább állatgyógyászatban használják, illetve kábítószerként. A PCP (és ketamin) az egyetlen a hallucinogének között, amelyet állatok önadagolnak.

A ketamin csökkenti a C11-raclopride kötődést a D2-receptorokhoz. Ennek egyik magyarázata lehet az, hogy az NMDA-receptor antagonistái (mint a ketamin) befolyásolják a dopaminerg neuronokból való transzmitterfelszabadulást, ezáltal növelik az extracelluláris dopamin-szintet a striatumban és a praefrontalis cortexben (glutamát szerepe!). Ezen kívül lehet, hogy a csökkent reuptake, illetve a D2-receptorok dopamin iránti megnövekedett affinitása is szerepet játszik.

/Glutamate Modulation of Dopamine Measured in Vivo with Positron Emission Tomography (PET) and 11C-Raclopride in Normal Human Subjects Gwenn S. Smith, Ph.D., Ralf Schloesser, M.D., Jonathan D. Brodie, Ph.D., M.D., Stephen L. Dewey, Ph.D., Jean Logan, Ph.D., Stephen A. Vitkun, M.D., Philip Simkowitz, M.D., Ph.D., Arlene Hurley, R.N., Thomas Cooper, M.A., Nora D. Volkow, M.D., and Robert Cancro, M.D./

8. Mit jelent a teljes 3D sinogram?

A PET-mérés során nyert nyers adatok, amelyekből a képrekonstrukció történik.

9. Hogyan oldották meg az eszköz könnyítésére szolgáló motoros rendszert?

A cikkben nem írták le, és azóta ezzel kapcsolatban újabb publikáció nem született. Egyébként a honlapjukon van még pár információ: http://www.chemistry.bnl.gov/ratcap/index.html

10. Milyen időbeli felbontása van a kapott eredményeknek, hiszen a folyamat tranziens jellegű?

A mérési eredmények minden ábrán kétperces időközökkel szerepelnek. Egyébként a PET-es eredmények és a viselkedésbeli változások időbeli összeegyeztetése nehézkes, és nem teljesen kiforrott még (ezt írják is). Hiszen ahhoz, hogy a PET alapján a receptorkötési tulajdonságok értékelhetők legyenek, folyamatos, egyenletes izotópszintet kell biztosítani, ami nem könnyű, pláne ha közben más szereket is adagolnak…

11. Miben jobb a PET-es mérés mint egy funkcionális MRI?

Más információt nyújt a PET-es mérés, mint a funkcionális MRI. Az utóbbit arra használják, hogy egyes agyterületek aktivitását vizsgálják. Az aktívabb neuronok közelében az erek kitágulnak, a vértartalom az adott területen megnő, ez képezi az alapját a fMRI képalkotásának. Gyógyszeres vizsgálatokra, receptorvizsgálatokra a PET alkalmas.

12. Melyik mérés ártalmasabb az állat számára egy fMRI kontrasztanyag, vagy egy PET-es mérésnél a sugárzó izotóp? Illetve melyikkel érhető el jobb felbontás?

Az fMRI-hez alapvetően nem szükséges kontrasztanyag. De egy kontrasztanyaggal végzett MRI vizsgálatnál is ártalmasabb a sugárzó izotóp. MRI-vel jobb felbontás érhető el.

13. Azzal, hogy az állatok ébren vannak és mozoghatnak nem lesz sokkal nagyobb a jel/zaj arány?

Azzal,hogy szorosan, stabilan az állat fejéhez van rögzítve a szerkezet, elkerülhető a jel/zaj arány jelentős romlása.