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

He, Xuan; Kampa, Björn M.; Müller, Frank; Elmenhorst, David

doi:40225

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^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Xuan He

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kampa, Björn M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Müller, Frank (Thesis advisor)^RWTH* ; Elmenhorst, David (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03823
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/817290/files/817290.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DREADD (frei) ; IDIF (frei) ; PET (frei) ; Tariquidar (frei) ; [11C]CNO (frei) ; [11C]clozapine (frei) ; c-fos (frei) ; immunohistochemistry (frei) ; mice brains (frei) ; sleep deprivation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

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.

Sleep is a critical but fragile behaviour which includes many complex and unresolved questions such as the specific cellular and molecular mechanisms of sleep homeostasis. In this thesis, in order to locate and identify the cellular populations particularly affected by sleep deprivation in mice, we developed a in vivo novel system combining Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) technique with positron emission tomography (PET) method in double transgenic hM3Dqfos mice (cfos-controlled DREADDs). In this system, c-fos proteins activated by sleep deprivation was determined as the marker of neural activity indirectly via quantification of DREADDs with [11C]clozapine and [11C]CNO PET imaging in vivo. After quantitative evaluation of the [11C]clozapine and [11C]CNO in vivo binding results with binding potential (BPND), total distribution volume (VT), as well as standard uptake values (SUVs), we indicated the brain regions which were significantly affected by sleep deprivation based on both atlas and statistical parametric mapping (SPM) analysis technique. However, due to the test-retest reliability evaluation and potential in vivo binding in cerebellum for BPND and SUVAUC of CB data, the values from VT and SUVAUC of IDIF were recommended for performing quantification analysis of [11C]clozapine and [11C]CNO PET imaging with better reproducibility and reliability. Moreover, in order to improve the brain uptake of [11C]CNO, we explored to apply tariquidar before intravenous injection of the radioligand. Nevertheless, according to the in vivo quantification analysis, [11C]clozapine did not present higher affinity to DREADDs compared with [11C]CNO regarding to VT and SUVAUC of IDIF. In addition, the in vitro immunohistochemistry experiments were conducted to confirm the construct of double transgenic (hM3Dqfos) mouse model as well as the quantification evaluation of [11C]clozapine and [11C]CNO PET imaging.On the other hand, in order to guarantee a good condition for mice and reduce the stress as much as possible during the longitudinal study with DREADD and PET, an image-derived input function (IDIF) instead of the arterial input function method was applied for PET quantification based on the results from Chapter 3. In that methodology chapter (Chapter 3), we established, evaluated and selected the best non-invasive IDIF method based on the PET imaging for the A1 adenosine receptors (A1ARs) with [18F]CPFPX. Here, three different IDIF approaches were selected for evaluation. Subsequently, a VOI over the heart became the best choice to extract the IDIF after comparing with another two different VOI placements regarding image-derived curves, area under curve (AUC) ratios, and kinetic modelling results. In Chapter 3, correction of partial volume effect and metabolism were investigated as well with [18F]CPFPX. Finally, the IDIF method over heart (cube, 8 mm) were utilized in evaluation of c-fos expression by imaging DREADDs with [11C]clozapine and [11C]CNO as PET radioligands.

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