Detecting and quantifying c-fos in vivo by PET imaging of DREADD-expressing neurons in mice brains after sleep deprivation

• Nachweis und Quantifizierung von c-fos in vivo durch PET-Bildgebung von DREADD-exprimierenden Neuronen im Gehirn von Mäusen nach Schlafentzug

He, Xuan; Kampa, Björn M. (Thesis advisor); Müller, Frank (Thesis advisor); Elmenhorst, David (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Schlafen ist ein komplexes Verhaltensmuster und eine Vielzahl von Details zu den spezifischen zellulären und molekularen Mechanismen der Schlafhomöostase sind noch ungeklärt. Um die Zellpopulationen zu lokalisieren und zu identifizieren, die besonders von Schlafentzug bei Mäusen betroffen sind, wurde in dieser Arbeit ein neuartiges System entwickelt, das die von Designer Drogen aktivierte Designer-Rezeptor-Technik (DREADDs) mit der Positronenemissionstomographie (PET) in doppelt transgenen hM3Dqfos Mäusen (cfos-kontrollierte DREADDs) kombiniert. In diesem System wurde, durch Schlafentzug aktiviertes c-fos als Marker für die neuronale Aktivität indirekt durch Quantifizierung von DREADDs mit [11C]Clozapin und [11C]CNO-PET-Bildgebung in vivo bestimmt. Nach quantitativer Bewertung der In-vivo-Bindungsergebnisse von [11C]Clozapin und [11C]CNO mittels Bindungspotential (BPND), Gesamtverteilungsvolumen (VT) sowie Standardaufnahmewerten (SUVs) konnten die Hirnregionen, die signifikant von Schlafentzug betroffen sind basierend auf einer Atlasgestützen Auswertung und durch statistische parametrische Kartierung (SPM) ermittelt werden. Um die Gehirnaufnahme von [11C]CNO zu verbessern, wurde die Anwendung des Effluxtransporter Hemmstoffs Tariquidar vor den PET-Scans untersucht. Zusätzlich wurden immunhistochemische Experimente durchgeführt, um das Mausmodell und die Bewertung anhand der PET-Bildgebung zu bestätigen. Um den Stress für die Versuchstiere während dieser Längsschnittstudie so weit wie möglich zu reduzieren, wurde eine bildabgeleitete Eingabefunktion (IDIF) anstelle der arteriellen Eingabefunktionsmethode angewendet. Die optimale nicht-invasive IDIF-Methode wurde basierend auf der PET-Bildgebung für A1-Adenosinrezeptoren (A1ARs) mit [18F] CPFPX festgelegt, bewertet und ausgewählt. Hierzu wurden drei verschiedene IDIF-Ansätze ausgewählt: (A) Zielvolumen (VOI) über dem Herzen (Würfel, 10 mm); (B) VOI über der abdominalen Hohlvene / Aorta-Region mit einem Quader (5 × 5 × 15 mm); und (C) mit 1 × 1 × 1 mm Voxeln auf 5 aufeinanderfolgenden Schichten. Nach der Korrektur des Partialvolumeneffekts und des Metabolismus war eine VOI über dem Herzen die beste Wahl, um die IDIF zu extrahieren, nachdem verschiedene VOI-Platzierungen hinsichtlich bildabgeleiteter Zeitaktivitätskurven, Verhältnissen der Fläche unter der Kurve (AUC) und kinetischer Modellierungsergebnisse verglichen wurden. Schließlich wurde die IDIF-Methode über dem Herzen (Würfel, 8 mm) zur Bewertung der c-fos-Expression verwendet, indem DREADDs mit [11C]Clozapin und [11C]CNO als PET-Tracer erfasst wurden. Die Quantifizierung des [11C]Clozapin-PET zeigte im Cortex (CTX), basalen Vorderhirn und Septum (BFS), Amygdala (AMY), Riechkolben (OLF) und Hypothalamus (HYP) nach Schlafentzug (SD) einen signifikanten Anstieg. Die Regionen mit signifikantem Unterschied zwischen SD- und Basisliniengruppen in der [11C]CNO-PET-Bildgebung stimmten im Allgemeinen mit denen mit [11C]Clozapin überein. Zusätzlich zeigten die Regionen Thalamus (THA), Hippocampus (HIP) und Mittelhirn (MID) einen signifikanten Anstieg der SD-Gruppe mit BPND-Daten. Durch die Verabreichung von Tariquidar wurde die Aufnahme von[11C]CNO kaum verbessert. Darüber hinaus bestätigten die Ergebnisse des In-vitro-Immunhistochemie-Experiments die Machbarkeit des hM3Dqfos-Mäusemodells. Infolgedessen haben wir das hM3Dqfos-Mausmodell erfolgreich etabliert und PET mit DREADD kombiniert, um c-fos indirekt in vivo zu bestimmen. Abschließend sollten im Hinblick auf die potenzielle In-vivo-Bindung im Kleinhirn (aus der SPM-Analyse) und die Ergebnisse der Bewertung der Zuverlässigkeit des Test-Retest VT und SUVAUC of IDIF-Werten angewandt werden, um eine Analyse der [11C]Clozapin- und[11C]CNO-PET-Bildgebung durchzuführen.