PET-MRI F-DOPA-aktivitet i det mesokortikolimbiske systemet og depressive symptomer i prediksjon av behandlingskompatibilitet

Introduksjon:

Major depressiv lidelse (MDD) er en allsidig psykiatrisk lidelse med en prevalens på 8-12 % av befolkningen i mange land.

I henhold til dagens tilnærming er MDD preget av redusert aktivitet av monoamin-nevrotransmittere, det er ikke bestemt om det er som et resultat av forskjeller i sensitivitet til deres reseptorer eller uttømming i synaptisk spalte på grunn av lavt uttrykk eller mao-a/mao-b hyperaktivitet.

De fleste antidepressive medisiner som brukes i dag er basert på teorien om monoaminuttømming om depresjon. Disse medisinene inkluderer selektive serotoninreopptakshemmere (SSRI), serotonin noradrenalin reopptakshemmere (SNRI) eller trisykliske antidepressiva (TCA), som alle hemmer gjenopptaket av noen eller alle disse monoaminene, og induserer forhøyede nivåer i synaptisk spalte. Noen medisiner påvirker monoaminreseptorene direkte.

Dysfunksjonell dopamin-nevrotransmisjon har en viktig rolle i underskudd med oppmerksomhet, motivasjon og anhedoni som er kjernesymptomer på depressiv lidelse. Pre-synaptisk D2r (Dopamin 2-reseptor) tetthet i prefrontal cortex (PFC) har vist seg å være betydelig lavere hos deprimerte pasienter sammenlignet med friske individer.

For tiden bruker de fleste studier som bruker bildeteknikker hos deprimerte pasienter hovedsakelig forskjellige typer magnetisk resonansavbildning (MRI) eller separat nukleærmedisinsk avbildning med positronemisjonstomografi (PET) sporstoffer. Rollen til tradisjonell MR i evalueringen av depresjon og andre psykiatriske lidelser, i forskjellige studier, er hovedsakelig rettet mot å differensiere strukturelle trekk og derfor bidra til å styrke diagnosen i det aspektet. Det er flere strukturelle endringer målt i hjernen til MDD-pasienter sammenlignet med kontroller. Blant dem vises redusert hippocampusvolum også sammenlignet med remitterte pasienter, økt Hypothalamus-hypofysevolum, redusert Pre Frontal Cortex (PFC) og Basal-Ganglia volum. Disse funnene er også etablert i henhold til den største metaanalysestudien av strukturelle endringer ved bruk av MR- og CT-skanninger utført til dags dato. PET-skanninger gir indikasjoner på hjernens generelle eller agentspesifikke metabolisme. De fleste PET-skanninger utført på deprimerte pasienter bruker FDG eller 11-C serotonin radioligander. Bare noen få studier undersøker F-DOPA PET-opptak hos deprimerte pasienter, for det meste med Parkinson-depresjon og en med affektiv flating eller impulsive symptomer på en svært liten prøvestørrelse (n=6). De fleste studiene viser indikasjon på redusert DOPA-opptak i striatum spesifikt i Nucleus Accombens (NAc). Ytterligere informasjon er nødvendig som indikerer F-DOPA-opptak i relevante områder av hjernen ved MDD. Så vidt vi vet vil dette være den første studien som bruker [18F] F-DOPA PET/MRI hos deprimerte pasienter. PET/MRI tilbyr ekte multimodalitetsavbildning ved å kombinere anatomi, funksjon og molekylære prosesser som vil tillate mer nøyaktig identifikasjon av sykdomsvurdering.

Et faktum som er godt etablert er at genetiske faktorer sammen med miljøfaktorer som forekommer over hele levetiden sannsynligvis ligger til grunn for sårbarheten for depresjon. Imidlertid fant en megaanalyse av flere genomomfattende assosiasjonsstudier (GWAS), som analyserte 1,2 millioner autosomale og X-kromosomer enkeltnukleotidpolymorfismer (SNP-er), ingen SNP som oppnådde genomomfattende betydning. Denne uoverensstemmelsen mellom den konsekvent observerte betydelige arveligheten til alvorlig depresjon (18) og det faktum at ingen spesifikke genetiske varianter er identifisert som sterkt bidrar til lidelsen, antyder andre mekanismer som virker. Epigenetikk refererer til endringene i kromatinstrukturen som ligger til grunn for endringer i genuttrykk og som ikke er assosiert med endringer i DNA-sekvensen. DNA-metylering er et av systemene som ligger til grunn for epigenetikk. Metylering av DNA krever tilsetning av en metylgruppe i 5'-posisjonen til cytosiner i CpG-dinukleotider. Etter cytosinmetylering reduseres tilgangen til transkripsjonsfaktorer til regulatoriske elementer på grunn av sterisk interferens. DNA-metyleringsmønstre er arvelige på den ene siden og reagerer dynamisk på miljøet på den andre siden. Denne egenskapen til epigenetikk gjør det til en reguleringsmekanisme, som bestemmer genuttrykk, som er kongruent med naturen til psykiatriske lidelser. Ulike mønstre av DNA-metylering observeres i forskjellige vev utsatt for forskjellige miljøer. Det er til og med forskjellig mellom separate hjerneregioner. En epigenomomfattende assosiasjonsstudie (EWAS) er på vei. I ett av dem i PFC-vev hos post mortem deprimerte forsøkspersoner fant forskere berikelse i nevronal vekst og utviklingsgener steder som hjernedrevet nevrotrofisk faktor.(BDNF) Reduserte BDNF-nivåer er en veletablert markør for depresjon. Lavere nivåer av BDNF-protein er også rapportert i hippocampus til dyr utsatt for kronisk stress. Interessant nok økte administrering av antidepressiva hippocampus BDNF, og forhindret den stressinduserte reduksjonen. Disse funnene er spennende gitt hippocampus volumtapet observert ved stemningslidelser og reduserte BDNF-serumnivåer hos individer med stemningslidelser eller depressive personlighetstrekk. Basert på disse konvergerende prekliniske og kliniske dataene, representerer BDNF-genet et logisk mål for genetiske undersøkelser av stemningslidelser.

En annen epigenomomfattende assosiasjonsstudie som analyserte fullblods-DNA fant at plasmanivåene av IL-6 og C-reaktivt protein (CRP) var økt hos de personene med livstidsdepresjon, og blant de kun med depresjon, viste IL-6-metylering en omvendt korrelasjon med plasma IL-6 og CRP.

Til dags dato er det ingen vanlig bildediagnostikkpraksis i psykiatrisk klinikk som gjør det mulig å differensiere hvilken medisinbehandling som er optimal for hvilken pasient. Så vidt vi vet, vil dette være den første studien for å evaluere behandlingskompatibilitet ved bruk av kombinasjonen av [18F] F-DOPA PET/MR-avbildning og symptomvurdering før behandling.

Studiemål og formål:

Målet med studien er å vurdere gjennomførbarheten av modalitetsavbildning og symptomevaluering i prediksjonen av behandlingskompatibilitet. Dopaminmetabolisme målt i det mesokortikolimbiske systemet (VTA-NAc-PFC) av 18F-FDOPA PET med strukturelle og funksjonelle MR-funn hos pasienter diagnostisert med depresjon før behandling.

Hovedmål:

1. Sammenligne naive nivåer av F-DOPA gjenopptak hos friske individer med ubehandlede deprimerte pasienter i det mesokortikolimbiske systemet (VTA-NAc-PFC) og vurdere strukturelle forskjeller mellom de to gruppene i hippocampus, hypotalamus-hypofysen og mesokortikolimbisk system (VTA- NAc-PFC) og fMRI i hviletilstand.

Sekundære mål:

1. Sammenligning av forskjellene mellom DNA-metylering i plasma hos pasienter sammenlignet med friske kontroller.
2. Vurdere sammenhengen mellom symptomenes alvorlighetsgrad (evaluert basert på Hamilton Rating Scale) ved baseline og etter 6 måneder til PET 18F-DOPA-opptaksrepertoar i det mesokortikolimbiske systemet, strukturelle målinger og DNA-metylering.

Materialer og metoder:

Studiedesign: En prospektiv pilotstudie.

Klinisk vurdering:

Et kvantitativt mål på symptombyrden vil bli bestemt etter klinisk vurdering basert på "Hamilton Rating Scale for Depression" og basert på DSM-V-kriterier ved baseline (forbehandling), 3 måneder og 6 måneder etter behandlingsstart. I følge DSM-5 krever diagnosen depresjon fem (eller flere) av følgende symptomer som er tilstede i samme 2-ukers periode og representerer en endring fra tidligere funksjon: (1) deprimert humør (2) tap av interesse eller nytelse . (3) Betydelig vekttap eller vekt. (4) Søvnløshet eller hypersomni. (5) Psykomotorisk agitasjon eller retardasjon.(6) Tretthet eller tap av energi nesten. (7) Følelser av verdiløshet eller overdreven eller upassende skyld.(8) Nedsatt evne til å tenke eller konsentrere seg. (9) Tilbakevendende tanker om døden.

Symptomevaluering av Hamilton Rating Scale vil bli utført av en psykiater. Til slutt vil vi forsøke å knytte spesifikke klynger av symptomer til behandlingskompatibilitet i samsvar med bildediagnostikk og molekylære funn. Behandlingens kompatibilitet med disse medisinene vil bli sammenlignet med prosentandelen av behandlingssuksess i klinikken på en "standard behandling" måte. Vurdering av pasientens fremgang vil bli bestemt ved endring i symptomer og/eller en ny skanning gjennom oppfølgingsbesøk etter 3,6 måneder.

Bildediagnostisk PET/MR-protokoll: Vi vil bruke evalueringen av dopaminforløperen 3,4-dihydroksy-6-[18F]-fluor-l-fenylalanin ([18F] FDOPA) opptakshastighetskonstant (K(i)) som reflekterer L-dopa transport. L-aromatisk aminosyredekarboksylaseaktivitet, vesikulært opptak og antall dopaminnerveterminaler. vi ønsker å måle og sammenligne [18F] F-DOPA-opptaket i det mesokortikolimbiske nettverket hos depressive umedisinerte pasienter og friske individer. Vi vil deretter undersøke [18F] F-DOPA-opptaksrepertoar og karakterisere et typisk spatiotemporalt mønster langs forskjellige depressive hjerner i samsvar med de mange typer symptomers manifestasjon og molekylære og demografiske data. I tillegg vil vi implementere nye MR-sekvenser som diffus tensor imaging (DTI) og susceptibility-weighted imaging (SWI) for å evaluere den mesokotikolimbiske dopaminerge kanalen og bruke T1, T2 sekvenser for å måle volumene i Hippocampus og Hypothalamus-hypofysen hos disse pasientene sammenlignet med friske personer. Videre vil vi bruke T2*-sekvens for å evaluere hviletilstand Blod-oksygen-nivåavhengig (FET) kontrastavbildning. I tillegg vil skanningsresultater være korrelert til klinisk evaluering av umedisinerte symptomer.

Alle skanninger vil bli utført i avdelingen for nukleærmedisin ved Tel-Aviv Assuta Medical Center ved hjelp av en PET/MR-skanner (Biograph mMR, Siemens AG, Erlangen, Tyskland) i henhold til produsentens retningslinjer.

Pasienter er pålagt å faste minst 4 timer før ankomst til avdelingen. Ved ankomst vil et intravenøst ​​kateter bli plassert for radiofarmasøytisk administrering og gadolinium. Pasienter vil få en intravenøs injeksjon av 10 mCi 18F-FDOPA på PET MR-bordet og skanning vil begynne umiddelbart. Dynamiske PET-parametere vil bli innhentet sammen med de forskjellige MR-sekvensene. MR av hjernen vil inkludere følgende sekvenser: T1, T2 og T2 væskeattenuert inversjonsrestitusjonssekvens (FLAIR), følsomhetsvektede sekvenser (SWI), diffus tensor imaging (DTI), blodoksygeneringsnivåavhengige (BOLD) signaler for funksjonell avbildning i hviletilstand. I tillegg vil perfusjon av hjernen bli evaluert med og uten gadolinium. Et anatomisk stereotaktisk kart over hjernen vil være lagdelt i samsvar med skanningene ved hjelp av ExploreDTI Software.

For kontrastforsterkede sekvenser bruker vi Dotarem (gadoteric acid) (0,2 ml/kg ,0,1 mmol/kg ved 2ml/s, 20ml saltvannsspyling) Den totale skannetiden vil være ca. 45 minutter.

Datainnsamling og prosedyrer:

For kvalifiserte friske frivillige vil følgende data bli registrert ved baseline:

1. Baseline parametere: fødselsdato, kjønn, sosioøkonomisk status, etnisitet, røyking, alkoholforbruk.
2. Detaljert sykehistorie.
3. Liste over medisiner
4. Symptoms evaluering ved hjelp av Hamilton Rating Scale for depresjon
5. Blodprøve

For kvalifiserte deprimerte pasienter vil følgende data bli registrert ved baseline, etter 3 måneder og etter 6 måneder.

1. Grunnlinjeparametere: fødselsdato, kjønn,
2. Detaljert sykehistorie.
3. Liste over medisiner
4. Symptoms evaluering ved hjelp av Hamilton Rating Scale for depresjon
5. Blodprøve
6. Klinisk diagnose og symptomdebut.

Biologisk prøvesamling:

Blodprøver vil bli tatt fra pasienter og friske kontroller før skanning for vurdering av helgenomets DNA-metylaion i plasma av perifert blod. Blodprøver vil bli tatt fra friske kontroller og depreesed pasienter på baseline. Fra deprimerte forsøkspersoner vil det også bli tatt blod etter 6 måneders behandlingsstartdato for evaluering av genuttrykk mRNA eller protein av spesifikke markører basert på epigenetiske funn fra baseline.

Analyse av genomomfattende promoter-DNA-metylering:

Prosedyren brukt for MeDIP-analyse ble tilpasset fra tidligere publiserte protokoller.(13,14) Kort fortalt sonikeres 2μg DNA, og metylert DNA immunutfelles ved bruk av anti-5-metyl-cytosin (Eurogentec, Fremont, CA, USA). DNA-antistoffkomplekset ble immunutfelt med protein G, og det metylerte DNA resuspenderes deretter i fordøyelsesbuffer (50 mM TRisHCl pH8; 10 mM EDTA; 0,5 % SDS) og behandles med proteinase K over natten ved 55°C. Inngangs- og bundet fraksjon blir renset, amplifisert ved hjelp av Whole Genome Amplification Kit (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA), og merket for mikroarray-hybridisering med henholdsvis Cy3-dUTP og Cy5-dUTP, ved bruk av CGH Enzymatic Labeling Sett (Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada) i samsvar med produsentens instruksjoner. Spesialdesignede flisleggingsarrayer ble brukt (Agilent Technologies). Alle trinn i hybridisering, vask, skanning og ekstraksjon av funksjoner utføres i samsvar med Agilent Technologies-protokollen for chipon-chip-analyse. Uttrukket mikroarray-intensiteter behandles og analyseres ved hjelp av R-programvaremiljøet for statistisk databehandling (http://www.r-project.org/).

Genspesifikk validering:

validering av MeDIP-data vil bli utført ved bruk av kvantitativ sanntids-PCR (QPCR) ved bruk av 2-ΔΔCt-metoden. Data vil bli uttrykt som gruppemiddel±s.e.m. Graphpad 5-programvaren vil bli brukt til å utføre ensidige Mann-Whitney U-tester.

RNA-ekstraksjon fra menneskeblod:

blod for RNA-ekstraksjon vil bli samlet før injeksjon av radioliganden og trukket inn i PAXgene Blood RNA-rør (PreAnalytiX, Hombrechtikon, Sveits). RNA ekstraheres ved hjelp av PAXgene Blood RNA Kit (Qiagen). Kvaliteten og kvantiteten av RNA-prøver vil bli analysert med en Agilent 2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, Böblingen, Tyskland).

Analyse av genuttrykk i humant blod:

Revers transkripsjon vil bli utført ved hjelp av høykapasitets cDNA Reverse Transcription Kit (Life Technologies, Darmstadt, Tyskland). Genekspresjonsnivåer vil bli analysert ved bruk av QPCR og 2-ΔΔCt-metoden. Data vil bli uttrykt som gruppemiddel±s.e.m. Statistisk signifikans vil bli testet ved hjelp av ensidige Mann-Whitney U-tester.

Pyrosekvensering:

Promotorregionen til spesifikke gener vil bli analysert ved pyrosekvensering. Kort fortalt vil fragmenter av bisulfitt-behandlet DNA (EpiTect Bisulfite Kit, Qiagen) bli amplifisert av PCR (HotStar Taq DNA Polymerase, Qiagen) primerinformasjon ved bruk av en umodifisert foroverprimer og en biotinmerket revers primer (Eurofins, Tyskland) . Pyrosekvensering vil bli utført med et PyroMark Q24 Advanced-system (Qiagen; primerinformasjon se tilleggstabell S2) i samsvar med produsentens protokoll. Metylerte og umetylerte EpiTect-kontroll-DNA-prøver (Qiagen) vil bli brukt som kontroller for bisulfittkonvertering, amplifikasjon og pyrosekvensering. Prosentandelen av metylering på hvert CpG-sted vil kvantifiseres ved å bruke PyroMark Q24 Advanced programvareversjon 3.0.0 (Qiagen) Sekvensering vil bli utført i tre eksemplarer. Kvalitetskontrollfiltrering og statistiske analyser av pyrosekvenseringsresultatene vil bli utført ved å bruke R versjon 2.15.3 (http://www.r-project.org). Målinger merket som upålitelige av Pyromark-programvaren vil bli fjernet fra datasettet. Trippelmålinger beregnes i gjennomsnitt etter fjerning av uteliggere (verdier som avviker mer enn 3%). En Mann-Whitney U-test vil bli brukt for å sammenligne gjennomsnittlig prosentandel av metylering av CpG-steder for ELS versus kontrollgruppene. Data vil bli presentert som gjennomsnitt ±. e.m.

Genetisk analyse:

Genotyper vil bli undersøkt ved å bruke GWAS-data fra en tidligere studie av MDD. dbSNP av utvalgte gener (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/SNP) vil bli søkt etter SNP-er (single-nucleotide polymorphisms) på tvers av genene. Den settbaserte testen, som implementert i PLINK (v1.0.7)39 vil bli utført (med standardalternativer og 105 permutasjoner), for å teste for assosiasjon mellom MDD og hele settet med genetiske varianter i datasettet

MR-funn:

• T1,T2 3D-målinger (vurderer volum) av hippocampus, hypotalamus-hypofysen og mesokortikolimbisk.
• DTI-målinger i den mesokortikolimbiske dopaminerge kanalen.
• Sammenligning av hviletilstand f-MRI (BOLD) hjernenettverk hos pasienter med depresjon med normale kart

PET-funn:

1. Visuell vurdering og kvantitative målinger av statisk F-DOPA (f.eks. SUVmax og SUVmean) vil bli utført i VTA, NAc, PFC bilateralt.
2. Målinger av dynamiske F-DOPA-parametere som Ki når tilgjengelig (f.eks. tid til topp, toppverdi osv.) vil bli målt.

Statistikk:

Pasientkarakteristika vil bli oppsummert ved hjelp av beskrivende statistikk. Kvantitative variabler vil bli presentert som gjennomsnitt og SD, kvalitative variabler vil bli presentert som frekvenser.

Pearson korrelasjonskoeffisient vil bli brukt for å måle styrken på forholdet mellom PET i de ulike hjerneområdene og klyngesymptomene.

En t-test vil bli brukt for å sammenligne middelverdiene til de forskjellige parameterne. Prøvestørrelse: Dette er en pilotstudie der det kreves en prøvestørrelse på 60 forsøkspersoner (30 friske individer og 30 pasienter).

Deltakerprøvetaking: Alle pasienter som oppfyller inklusjonskriterier og gir informert samtykke vil bli påmeldt fortløpende.

Konfidensialitet:

Alle dataene vil bli kodet, og emnet vil kun identifiseres med forsøkspersonens initialer og ved forsøkspersonens studienummer.

Kodingen vil bli utført av etterforskerne og vil bli lagret på deres sikre datamaskiner og i etterforskerfilen innelåst i et skap på hovedetterforskerkontoret.

Alle rapporter og kommunikasjoner knyttet til emner i studien vil bruke koden som er gitt, uten personlig informasjon.