ABSTRACT

Positron emission tomography (PET) with F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) is an invaluable tool in the diagnostic workup of inflammatory and infectious diseases. FDG, however, is nonspecific, and is concentrated by malignant and benign neoplasm, as well as a variety of noninfectious inflammatory conditions. PET studies have important advantages over studies performed with single photon emitting radiopharmaceuticals and considerable effort has been devoted to the development of PET radiopharmaceuticals that are specific, or at least more specific than FDG, for infection. An early attempt at creating a more specific PET radiopharmaceutical was the development of a procedure for labeling autologous leukocytes with FDG. Although investigations have demonstrated improved specificity of FDG labeled leukocytes compared to FDG alone, with results comparable to those obtained with In-111 labeled leukocytes, there are issues with this test. Variability of labeling efficiency and stability of the FDG label, the short (110 minute) half -life of F-18, and the in vitro labeling procedure itself are obstacles to the widespread adoption of this procedure. The use of Cu-64 as the radiolabel improves labeling efficiency and label stability, in vitro, but no clinical investigations have been conducted. The Cu-64 neutrophil specific peptide, has shown promise in preclinical studies, but there have not been any clinical investigations of this agent. The radioiodinated thymidine analogue fialuridine (FIAU) has been investigated as an infection specific imaging radiopharmaceutical. Preclinical investigations were very promising, and an early pilot study using I-124 FIAU PET/CT yielded very encouraging results. Results of subsequent investigations for diagnosing prosthetic joint infection and diabetic pedal osteomyelitis were disappointing and the future of this agent is uncertain. The role of Ga-68 for imaging infection also is under investigation. Ga-68 citrate overcomes many of the disadvantages of Ga-67, but still suffers from a lack of specificity, and investigators have begun to focus their attention on complexing Ga-68 with siderophores and peptides in attempts to develop a more specific imaging agent. Preliminary results with these agents are very encouraging, but clinical trials are needed before their value can truly be ascertained.

Introduction

Positron emission tomography (PET) with F-18 fluorodeoxyglucose (FDG) has become an invaluable tool in the diagnostic workup of patients with a variety of inflammatory and infectious diseases. In spite of its usefulness, however, FDG is a nonspecific radiopharmaceutical that is concentrated by noninfectious conditions, including malignant and benign neoplasms, and a variety of noninfectious inflammatory conditions.

PET studies have important advantages over studies performed with single photon emitting radiopharmaceuticals. PET resolution is superior, which facilitates precise localization of abnormalities. Semi quantitative analysis, which is readily available with PET, but less feasible with conventional gamma camera imaging, potentially could be used to differentiating infectious from non-infectious conditions and for monitoring response to treatment. It is not surprising, therefore, that a considerable amount of effort has been devoted to the investigation and development of PET radiopharmaceuticals that are specific, or at least more specific than FDG, for infection.

Cu-64 Isaretli Lökositler

Lökosit isaretleme için ideal bir radyonüklid, hücre canliligini korurken ayni zamanda yüksek isaretleme etkinligine sahip olmalidir. Isaretleyici, hücrelerden olabildigince az radyoaktivite elüsyonuna neden olarak stabil kalmalidir. Ayrica radyonüklidin yarilanma ömrü in vitro isaretlemeyi pratik olarak gerçeklestirebilecek ve geç görüntülemeye olanak saglayacak kadar da uzun olmalidir. Cu-64 yaklasik 13 saatlik yarilanma ömrüne sahip orta yari ömürlü bir pozitron yayici radyonüklidtir. Bhargava ve ark. bu radyonüklidin in vitro olarak lökosit isaretleme etkinligini degerlendirmislerdir (10). Insan lökositlerini Cu-64 ile in vitro olarak isaretlemisler ve isaretleme etkinligini, hücre canliligini ve bakir isaretli lökositlerin stabilitesini In-111 isaretli ve FDG isaretli lökositlerinki ile karsilastirmislardir. Cu-64 isaretli lökositlerin ortalama isaretleme etkinligi %87±4 ile In-111 isaretli lökositler (%86±4) ile benzer ve her ikisinin de isaretleme etkinligi FDG isaretli lökositlere (%60±19) oranla anlamli olarak daha yüksek bulunmustur. Birinci saatte her üçünün de hücre canliligi benzer iken üçüncü ve yirmi dördüncü saatte Cu-64’ün hücre canliligi anlamli olarak daha yüksek bulunmustur. Isaretleme stabilitesi ise In-111 için her seferinde Cu-64 ve FDG’ye oranla anlamli olarak daha yüksek saptanmistir. Bu veriler isiginda Cu-64 isaretli lökositlerin enfeksiyon görüntülemede yararli olabilecegi sonucuna varilabilir ancak bu konuyla ilgili bugüne kadar yapilmis klinik çalisma bulunmamaktadir. Kullanilan radyonüklid türüne bakilmaksizin, in vitro isaretleme prosedürü emege, teknik donanim ve kalifiye personele ihtiyaç duyulan, kanla dogrudan temas gerektiren ve her zaman el altinda bulundurulamayan bir yöntemdir. Özellikle ciddi lökopenisi olan veya çok genç hastalarda tanisal optimal görüntülemeye olanak saglayacak yeterli lökosit isaretleme mümkün olmayabilir. Locke ve ark. cFLFLFK-PEG isimli nötrofil spesifik bir peptidi Cu-64 ile isaretlemislerdir (11). Bu peptid, nötrofil formil peptid reseptörünün antagonistidir. In vitro olarak isaretlenen peptid, insan nötrofillerine yüksek baglanma afinitesi göstermis ve daha önemlisi de hücreler üzerinde herhangi bir biyolojik etkiye neden olmamistir. Locke ve ark. bu ajani ayrica Klebsiella pnömania ile olusturulan siçan modelinde de çalismislar ve isaretli peptidin enjeksiyonundan yaklasik 18 saat sonra görüntüleme yapmislardir (11). Klebsiella pnömania ile enfekte farelerde ortalama akciger SUV degeri 0,142±0,054 iken bu deger kontrol grubunda 0,028±0,003 olarak bulunmustur (3). Preklinik veriler umut verici olsa da bu ajan ile yapilmis insan çalismasi bulunmamaktadir.

Fluorodeoxyglucose Labeled Leukocytes

Perhaps the earliest attempt at creating a PET radiopharmaceutical more specific than FDG was the development of an in-vitro method for labeling autologous leukocytes. Nearly 25 years ago, Osman and Danpure demonstrated the feasibility of in vitro labeling of human leukocytes with FDG (1). They observed that FDG uptake was dependent on the concentration of glucose in the labeling medium. Labeling efficiency decreased from 80%, when the glucose concentration was 15 ug/mL to 2% when the glucose concentration was 1 mg/mL. Cellular glucose retention depended on the extracellular concentration of glucose. In the absence of extracellular glucose, 91% of the FDG remained in the leukocytes at one hour. When the extracellular glucose concentration was 1 mg/mL, however, only 73% of the FDG remained in the cells at one hour.

Forstrom et al. reported their results for in vitro FDG labeling of human leukocytes (2). The labeling efficiency, approximately 80%, was similar to what Osman and Danpure had reported (1). Eighty percent of the activity was in the granulocyte fraction, 14% in the mixed lymphocyte-plasma fraction and 6% was in plasma. FDG labeled leukocytes were stable in platelet-poor plasma for up to four hours. The trypan blue dye test indicated excellent cell viability after labeling. Forstrom et al. subsequently reported the results of biodistribution and dosimetry studies performed on four normal volunteers (3). The FDG-labeled leukocytes, as expected, were distributed primarily in the reticuloendothelial system. Cerebral and urinary tract activity also were present, however, presumably due to elution of FDG from the leukocytes. Whole body and major organ dosimetry estimates for FDG labeled leukocytes, with administered activity between 222- 252 MBq (6-6.8 mCi) were comparable to the reported results for In-111 labeled leukocytes.

Pellegrino et al. compared the uptakes of FDG labeled leukocytes and FDG in a rodent model of acute inflammation, with sterile turpentine, and bacterial infection, with Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa (4). They found markedly higher uptake of both radiopharmaceuticals in infected muscle compared to uninfected muscle. The average FDG labeled leukocyte infected to uninfected muscle ratios were approximately twice as high as the FDG ratios and FDG labeled leukocytes was superior to FDG for differentiating inflamed from normal tissue. The investigators concluded that FDG labeled leukocyte accumulation at sites of inflammation is not due only to accumulation of free FDG released from leukocytes.

Pio et al. compared FDG and FDG labeled leukocytes in mice and human subjects and found that the normal distribution pattern of the two radiopharmaceuticals was different (5). They demonstrated that FDG labeled leukocyte PET could serve as a quantitative marker for identifying both the presence and the severity of intestinal inflammation. In both murine and human subjects, they reported that there was little accumulation of FDG labeled leukocytes in the normal healthy gastrointestinal and urinary tracts. Intestinal foci of FDG-labeled leukocyte accumulation corresponded to areas of histopathologically or colonoscopically confirmed areas of inflamed bowel. Intensity of uptake correlated well with the degree of inflammation. These investigators concluded that FDG labeled leukocytes could provide noninvasive quantitative assessment of bowel inflammation quickly and accurately.

Dumarey et al. prospectively investigated 21 patients with FDG labeled leukocyte PET/computed tomography (CT) (6). The mean labeling efficiency was 75±21% (range 24-96%). The mean stability of the label, in vitro, up to about four hours post labeling was 90%. Imaging was performed approximately three hours after reinfusion of labeled cells. The FDG labeled leukocytes accumulated primarily in the reticuloendothelial system, which is similar to the distribution of other radiolabeled leukocytes. Sensitivity, specificity, and accuracy of FDG labeled leukocytes all were 86%.

Rini et al. compared FDG labeled leukocyte imaging, using a gamma camera coincidence detection system, to In-111 labeled leukocyte imaging in 43 patients. Imaging was performed approximately two to six hours after reinfusion of 196-315 MBq FDG labeled leukocytes and approximately 24 hours after reinfusion of 17-25 MBq In-111 labeled leukocytes (7). The mean FDG labeling efficiency among the 43 patients, was 75±21%, significantly lower (p<0.0001) than the mean labeling efficiency for In-111, which was 90±5%. Six additional patients were excluded from reinfusion of FDG labeled leukocytes because the labeling efficiency was less than 35%. In contrast, the labeling efficiencies for In-111 in these six patients ranged from 89-93% (mean 90+2%). Mean cell viability of FDG-labeled leukocytes was 98%, which was comparable to the mean cell viability of 97% for In-111 labeled leukocytes. The accuracy of FDG labeled leukocytes (84% [36/43]) was similar to that of In-111 labeled leukocytes (81% [35/43]) and there was a high degree of concordance between the two tests.    

Aksoy et al. investigated the role of FDG-labeled leukocyte PET/CT for diagnosing prosthetic joint infection (8). These investigators performed FDG labeled leukocyte PET/CT on 46 patients with positive FDG PET/CT studies. The mean labeling efficiency was 75±17%. Labeled leukocyte viability testing was not performed. Patients underwent imaging 60-90 minutes after reinfusion of 296-703 MBq (8-19 mCi) FDG labeled leukocytes. Since only patients with periprosthetic FDG uptake were included in the investigation, only the positive predictive value of the test, which was 27%, could be calculated. In contrast, the positive predictive value of FDG labeled leukocyte PET/CT was 93.3%. The sensitivity, specificity, and negative predictive values of FDG-labeled leukocyte PET/CT were 93.3%, 97.4%, and 97.4%, respectively.

Bhattacharya et al. studied the role of FDG labeled leukocyte PET/CT for diagnosing infected fluid collections in patients with acute pancreatitis (9). The mean labeling efficiency was 81±10% (range: 31-97%). Labeled leukocyte viability was more than 99% in all patients. Imaging was performed about two hours after reinfusion of the labeled cells. They reported that the test was 100% accurate for diagnosing infected fluid collections.

While the published results suggest that FDG labeled leukocytes is a useful infection imaging radiopharmaceutical, there are issues that need to be addressed if this procedure is to be incorporated into routine clinical use. One important issue is the variability of labeling efficiency for FDG labeled leukocytes, which has ranged from less than 25% to more than 90% (6,7,8,9,10). Given this variability, how much activity should be used to label the cells? Does one assume a worst-case scenario, for example, a 25% labeling efficiency? What happens if the labeling efficiency is 90%? Is the amount of activity reinfused reduced accordingly, and if so will the number of labeled cells reinfused be sufficient to provide diagnostically useful data?

Another issue is the stability of the FDG label. Published results vary. Dumarey et al. reported a mean stability of 90% up to about 4 hours after labeling (6). Bhargava et al. in contrast, reported a mean stability of 85±4% at one hour, which decreased to 68±7% at four hours (10). In comparison, the stability of In-111 labeled leukocytes, in the same subjects, was significantly higher at both time points, 94±2% at one hour and 91±3% at four hours.

Even assuming that the issues of labeling efficiency and label stability can be overcome, the 110-minute half-life of F-18 presents logistical problems, not easily overcome. The in vitro labeling process takes approximately two three hours, so this time needs to be accounted for when determining the amount of activity used to label the cells. The 110-minute half-life of F-18 makes it impractical for labeling to be performed off-site, which means that the test would be limited to those sites capable of performing labeling. This is a significant limitation in the United States where the vast majority of leukocyte labeling procedures are performed in outside radiopharmacies. Delayed (e.g. 24 hours post injection) imaging may occasionally be desirable. The short half-life of F-18, however, precludes imaging much later than 4-5 hours after injection.

I-124 Fialuridin

Radioiyodine edilmis timidin analogu olan fialuridin (FIAU) herpes simpleks virüs timidin kinaz (TK) ile transfekte edilmis hücreler ve reporter genler için gelistirilmistir. Bu enzim primidin deoksinükleoside adenozin trifosfattan bir fosfat grubu transfer eder. Lipofilik ajan hücre içine diffüzyonla girer ve burada TK aktivitesi sonucu olusan fosforile form plazma membranindan geçemediginden hapsedilir (12). Bettegowda ve ark. bakterinin TK geni ile viral TK’nin birbirine son derece benzer oldugunu bu nedenle FIAU nun endojen bakteriyel TK tarafindan da fosforile edilebildigini belirtmislerdir. Çalismalarinda, FIAU’nun “wild” tip bakteri büyümesini inhibe ederken, TK yetmezligi olan bakteri büyümesi üzerine hiç etki göstermedigi sonucunu bulmuslardir. Tek foton emisyonu yapan I-125 ile isaretli FIAU’yu kullanarak farelerde bakteriyel enfeksiyonu basarili bir sekilde göstermislerdir. Enfeksiyon odaginda tutulum radyofarmasötik uygulanmasindan dört saat sonra saptanmistir. Arastirmacilar, FIAU’nun bakteriyel DNA’ya entegre olmasina bagli olarak aktivitenin enfekte dokuda kaldigi sonucuna varmislardir. Radyofarmasötik uygulanmasindan sonraki 48 saat içerisinde enfekte olmayan dokudaki aktivite giderek azalarak hedef/geri plan aktivitesinin de artisa neden olmaktadir. Pullambhatla ve ark. farelerde bakteriyel pulmoner enfeksiyon görüntülemede I-125 FIAU’nun rolünü arastirmislardir (14). Enfekte akcigerlerde enjeksiyondan iki saat sonra tutulum saptanmis ve bu tutulum enfekte olmayan enflame akcigerlere ve kontrollere göre anlamli olarak daha yüksek bulunmustur. Antibiyotik tedavisi sonrasi ise tutulumda anlamli bir düsüs saptanmistir. Arastirmacilar, radyoisaretli FIAU bakteriyel görüntülemenin yeni antibiyotiklerin gelistirilmesinde faydali olabilecegini belirtmislerdir. Diaz ve ark. sekiz adet enfeksiyon süphesi olan ve bir adet de saglikli kontrolden olusan dokuz olguluk pilot çalismalarinda kas-iskelet sistemi enfeksiyonlarinda I-124 FIAU PET/BT’nin tanisal rolünü arastirmislardir (15). Görüntüleme öncesi en az üç hafta boyunca olgularin hiçbiri antibiyotik tedavisi almamistir. Enjeksiyondan iki saat sonra kas iskelet sistemi enfeksiyonu olan yedi olguda enfeksiyon alaninda radyofarmasötik tutulumu gözlenmistir. Enfeksiyonu olmayan bir olgu ile kontrol olgusunda ise anormal tutulum saptanmamistir. Ayrica dokuz olgunun hiçbirinde yan etkiye rastlanmamistir. Kas iskelet sistemi enfeksiyonlarinda I-124 FIAU ile yapilan sonraki çalismalarin sonuçlari ise hayal kirikligi yaratmistir. Zhang ve ark. görüntülemeden sonraki 30 gün içerisinde tamami cerrahi yapilan alt ekstremite eklem artroplasti enfeksiyonu olan 19 hastada I-124 FIAU’nun tanisal rolünü retrospektif olarak arastirmislardir (16). On dokuz hastanin sadece üç tanesi sonuçta enfeksiyon tanisi almistir. Radyofarmasötik uygulamasindan sonraki ikinci ve yirmi dördüncü saatlerde görüntüleme yapilmistir. PET/BT görüntülerinin degerlendirmesinde metale bagli atenüasyon düzeltme artefaktlarina bagli sikintilar yasanmistir. Atenüasyon düzeltmesi yapilmamis PET görüntülerinde ise diffüz, çok yogun kas tutulumlari izlenmistir. Hedef/zemin “SUVmax, SUVmean, SUVpeak” gibi enfekte protezleri enfekte olmayanlardan ayirmaya yarayan semikantitatif parametrelerden hiçbirisi kullanilmamistir. Arastirmacilar sonuç olarak I-124 FIAU’nun prostetik eklem enfeksiyonlarindaki rolünün metal artefaktlarindan kaynaklanan suboptimal görüntü kalitesi ve yüksek nonspesifik kas tutulumuna bagli olarak oldukça sinirli oldugu sonucuna varmislardir. I-124 FIAU’nun diyabetik ayak enfeksiyonlarindaki tanisal rolünü degerlendiren bir diger çalismanin sonuçlari da yine hayal kirikligi yaratmistir. Çalisma I-124 FIAU tutulumu ile kemik biyopsi sonuçlarinin korelasyon göstermemesi nedeniyle sonlandirilmistir (17).

Cu-64 Labeled Leukocytes

The ideal radionuclide for labeling leukocytes should have a consistently high labeling efficiency while preserving cell viability. The radiolabel should be stable, with as little elution of radioactivity from the cells as possible. The physical half-life of the radionuclide should be sufficiently long to make the in vitro labeling procedure practical and to allow for delayed imaging. Cu-64 is an intermediate half-lived positron emitting radionuclide with a half-life of approximately 13 hours. Bhargava et al. investigated the potential of this radionuclide for labeling leukocytes in vitro (10). They labeled human leukocytes in vitro with Cu-64 and compared labeling efficiency, cell viability and stability of Cu labeled leukocytes with those of In-111 labeled leukocytes and FDG labeled leukocytes in the same subjects. The mean labeling efficiency for Cu-64 labeled leukocytes, 87±4%, was similar to that for In-111 labeled leukocytes (86±4%). Labeling efficiencies for both were significantly higher than the labeling efficiency for FDG labeled leukocytes (60±19%). Cell viabilities for all three were similar at 1 hour, and significantly higher for Cu labeled leukocytes at three and 24 hours. Label stability was always significantly higher for In-111 labeled leukocytes than for Cu-64 and FDG labeled leukocytes. These results suggest that Cu-64 labeled leukocytes might be useful for imaging infection, but there have been no clinical investigations to date.

Regardless of the radionuclide used, the in-vitro labeling procedure is labor intensive, technically demanding, requires skilled personnel, not always available, and requires direct contact with blood. It is not always possible to label enough leukocytes to obtain diagnostically useful images in the profoundly leukopenic or very young patient. Locke et al. labeled a neutrophil specific peptide, cFLFLFK-PEG, with Cu-64 (11). This peptide is an antagonist to the neutrophil formyl peptide receptor. In vitro, the radiolabeled peptide had a high binding affinity for human neutrophils and, importantly, did not exert any biologic effects on the cells themselves. They also studied this agent in a murine model of Klebsiella pneumonia. Imaging was performed approximately 18 hours after injection of the labeled peptide. Average lung SUV for Klebsiella-infected mice was 0.142±0.054 versus 0.028±0.003 for controls (p<0.003). Although the preclinical data were encouraging, to date no human studies with this agent have been conducted.

Ga-68

Ga-67 sitrat yaklasik 50 yildir enfeksiyon görüntülemede kullanilmaktadir. Ancak bu radyofarmasötigin aseptik enflamasyon, tümör ve travma durumlarinda nonspesifik tutulum göstermesi, ayrica SPECT/BT ile çalisilmis olsa da görüntü kalitesinin suboptimal olmasi ve enjeksiyon ile görüntüleme arasinda geçen sürenin 48 ile 72 saat gibi uzun süre gerektirmesi gibi dezavantajlari bulunmaktadir. Ancak günümüzde pozitron emisyonu yapan Ga-68’in güncel kullanimi ile bu ajanin enfeksiyon görüntülemedeki rolünü arastiran çalismalar yayginlasmistir. Kumar ve ark. kemirgenlerde Stafilokokus aureus enfeksiyonlarini saptamada Ga-68 sitratin tanisal rolünü arastirmislardir. Enjeksiyondan sonraki bes dakika içerisinde ortalama bir radyofarmasötik tutulumu gözlenmis; 30 dakika ile alti saat içerisinde ise tutulum yogun ve fokal hale gelmistir. Ayrica postoperatif intraabdominal enfeksiyonu olan bir hastada enjeksiyon sonrasinda 30 dakika içerisinde testin pozitiflestigini gözlemlemislerdir. Tüberkülozlu hastalarla yapilan bir pilot çalismada Ga-68’in pulmoner ve ekstapulmoner tüberküloz lezyonlarinda tutulum gösterdigi ve ekstrapulmoner hastaligi saptamada BT’den üstün oldugu sonucu bulunmustur. Arastirmacilar Ga-68’in aktif hastaligi inaktif hastaliktan ayirmada ve tedavi yanitini degerlendirmede yardimci olabilecegi sonucuna varmislardir (19). Nanni ve ark. kas iskelet sistemi enfeksiyonu olan 31 hastaya 40 adet Ga-68 sitrat PET/BT çekimi gerçeklestirmislerdir (20). Görüntülemeye radyofarmasötik enjeksiyonundan yaklasik bir saat sonra baslanmistir. Kas iskelet sistemi enfeksiyonu olan 23 hastanin tamaminda pozitif sonuçlar alinirken enfeksiyonu olmayan 17 hastanin dört tanesi de pozitif olarak saptanmistir. Bu yalanci pozitifligin dört olgunun tamaminda tümöre bagli oldugu bulunmustur. Sensitifite, spesifite, dogruluk, pozitif öngörü degeri ve negatif öngörü degerleri sirasiyla %100, %76, %90, %85 ve %100 olarak bulunmusur. Her ne kadar Ga-68 sitrat kullanimi ile Ga-67 sitratin düsük görüntü kalitesi, uygulama ile görüntüleme arasindaki uzun interval gibi dezavantajlarinin üstesinden gelinmis olsa da halen spesifitesinin sinirli olmasi gibi dezavantajlari bulunmaktadir (20,21). Bunun sonucunda diger arastirmacilar daha spesifik görüntüleme ajanlari gelistirebilmek için dikkatlerini Ga-68 ile peptidleri kompleks haline getirme konusuna yönlendirmislerdir (22). Vasküler adezyon protein 1 (VAP-1) enflamatuvar durumlarda hücre yüzeyinden eksprese edilen bir yüzey proteinidir. Lankinen ve ark. VAP-1’i hedef alan Ga-68 isaretli 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N’,N”, N”’,N””-tetraacetic asit-peptidin (Ga-68 DOTAVAP-P1) iyilesmekte olan kemiklerde erken enflamasyon ve enfeksiyonu göstermede faydali olabilecegi fikrini ortaya koymuslardir (23). Arastirmacilar, 34’ünde enfekte olmayip da iyilesmekte olan kortikal kemik defekti bulunan, 34’ünde ise Stafilokokus aureus osteomiyeliti olan toplam 68 farede Ga-68 DOTAVAP-P1 PET’i karsilastirmislardir. Iyilesmekte olan kortikal kemik defekti bulunan hayvanlarda ortalama VAP-1 ekspresyon düzeyi açisindan 24. saatte ve 7 günde anlamli farklilik saptanmamistir (47). Osteomiyeliti olan hayvanlarda ise ortalama VAP-1 ekspresyon düzeyi 7. günde (2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34) 24. saate (2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49) oranla anlamli olarak daha yüksek bulunmustur (330). VAP-1 ekspresyon düzeyleri her iki zaman degerinde de enfekte hayvanlarda iyilesmekte olan kortikal kemik defekti olanlara oranla anlamli olarak daha yüksek saptanmistir (1). Ga-68 DOTAVAP-P1 tutulumu ise cerrahiden sonraki ilk 36 saat boyunca her iki grupta benzer olarak gözlenmistir. Ilk 36 saatten sonra ise tutulum sadece enfekte kemiklerde izlenmeye devam etmistir. Yedinci günde Ga-68 DOTAVAP-P1 tutulumu enfekte kemiklerde anlamli olarak daha yüksek bulunmustur (1). Arastirmacilar Ga-68 DOTAVAP-P1’in iyilesmekte olan kemiklerdeki enflamatuvar fazi ve osteomiyelitli kemiklerde enfeksiyonun progresyonunu dogru sekilde gösterdigini ve baslangiçtan sonraki 7 gün boyunca Stafilokokus aureus bagli kemik enfeksiyonu gelisimi ile normal kemik iyilesmesi ayrimini kolaylastirdigini belirtmislerdir. Ujula ve ark. saglikli ve tibial Stafilokokus aureus enfeksiyonu olan siçanlarda Ga-68 DOTAVAP-P1 PET görüntüleme yapmislardir (24). Osteomiyelitteki radyofarmasötik tutulumu negatif kontrol peptid grubu ile kiyaslanmis ayrica isaretlenmis peptid ve isaretlenmemis peptid kompetisyonu karsilastirilmistir. Ga-68 DOTAVAP-P1, VAP-1 ile transfekte olmus hücrelere kontrollere oranla daha verimli baglanma göstermistir. Ajan dolasimdan hizla temizlenmis ve 26±2,3 dakika gibi bir in vivo yarilanma süresi ile hizlica idrar yoluyla atilmistir. Enfekte kemiklerde orta derecede hedef/zemin orani izlenmistir. Ga-68 DOTAVAP-P1 ile kiyaslandiginda negatif kontrol peptidi ve kompetitör ile olan çalismalarda enfeksiyon alaninda anlamli olarak daha düsük tutulum gözlenmistir. Arastirmacilar, bu çalismanin Ga-68 DOTA peptid ile enfeksiyonun indükledigi VAP-1 ekspresyonunun gösterilebilecegini kanitladigini belirtmislerdir. Ga-67’nin enfeksiyondaki tutulum mekanizmasi karmasik olup halen anlasilabilmis degildir. Ancak bakteri tarafindan üretilen galyum avid düsük molekül agirlikli selasyon ajanlari olan sideroforlarla iliskili olduguna inanilmaktadir (25). Ga-68 isaretli sideroforlarin enfeksiyon görüntülemedeki potansiyeli arastirilmistir (26,27,27,28). Petrik ve ark. Aspergillus fumigatus kültürü kullanarak Ga-68 isaretli sideroforlar ile in vivo ve in vitro pek çok çalisma yapmislardir (26). Kültürlerdeki tutulum demir yükü ve siderofor tipi ile iliskili olarak bulunmustur. Farelerde, Ga-68 triacetylfusarinine C (TAFC) ve Ga-68 ferrioxamine E (FOXE) hizli kan klirensi ve renal ekskresyon göstermistir. Ayrica bu iki ajan Ga-68’e yüksek afinite ve stabilite ile baglanmakta olup proteine baglanma oranlari düsüktür ve Aspergillus fumigatus için yüksek afinite ve spesifite göstermektedirler. Bu bulgular isiginda bu iki ajanin Aspergillus enfeksiyonlarini göstermede yararli olabilecegi düsünülmektedir. Aspergillus akciger enfeksiyonu olusturulan bir siçan modelinde, Petrik ve ark. Ga-68 TAFC ve Ga-68 FOXE’in her ikisinin de enfekte akciger dokusunda oldukça yüksek selektif tutulum gösterdigini ve tutulumun hastaligin ciddiyeti ile iyi korele oldugunu belirtmislerdir (27). Petrik ve ark. Ga-68 TAFC ve Ga-68 FOXE’nin spesifitesini de arastirmislardir (28). Bu amaçla çesitli mantar, bakteri ve maya kültürleri ile insan akciger kanseri hücrelerinde (H1299) bu 2 radyofarmasötigin in vitro tutulumunu degerlendirmislerdir. In vivo görüntülemeyi de fungal ve bakteriyel enfeksiyon ve enflamasyon olusturulan siçan modelleri ile degerlendirmislerdir. Ga-68 TAFC ve Ga-68 FOXE, Aspergillus fumigatus kültürlerinde hizlica akümüle olmus, ancak diger mantar türlerinde tutulum anlamli olarak daha düsük bulunmustur. Diger mikroorganizmalar ile H1299 hücrelerinde minimal tutulum gözlenmis olup bunun tek istisnasi Stafilokokus aureus’ta izlenen Ga-68 FOXE tutulumudur. Aspergillus fumigatus ile enfekte olmus siçan akcigerlerinde her iki ajan da hizlica tutulum göstermis olup steril enflamasyonda düsük tutulum saptanmis, bakteriyel abselerde ise hiç tutulum saptanmamistir.Ga-68 FOXE daha sensitif iken Ga-68 TAFC daha spesifik olarak degerlendirilmistir. Antimikrobiyal peptidler çogu canli organizmanin dogal savunma sisteminin önemli bir parçasidir. Çogu küçük, katyonik ve amfipatik (hidrofilik ve hidrofobik) olup patojenlerle çesitli mekanizmalar üzerinden mücadele ederler. Gram pozitif ve Gram negatif bakteriler, mayalar, mantarlar ve zarfli virüslere karsi genis bir spektrumda aktivite gösterirler. Ayrica apopitozis, yara iyilesmesi ve immün modülasyon ile de iliskilidirler (29). Antimikrobiyal peptidlerle yapilmis pek çok çalismada radyoisaretleyici olarak Tc-99m kullanilmis olsa da son dönemde Ga-68 isaretli antimikrobiyal peptidlerin enfeksiyon spesifik görüntüleme bilesikleri olarak kullanimi üzerine arastirmalar yayginlasmaktadir (30,31,31,32). Ebenhan ve ark. ubiquisidinin UBI29-41 fragmanini Ga-68 ile isaretleyerek bu ajanin tutulumunu tavsanlarda olusturulan Stafilokokus aureus kas enfeksiyonu, terebentin ile indüklenmis kas enflamasyonu ve yumurta albümini ile indüklenmis akciger enflamasyonlarinda karsilastirmislardir (31). Enjeksiyon sonrasi iki saate kadar olan intervallerde de PET/BT çekimini gerçeklestirmislerdir. Enfekte uyluk kasi steril enflamasyon gösteren uyluk kasindan net bir sekilde ayirt edilebilmistir. Akcigerlerde yumurta albümini ile indüklenerek olusturulan enflamasyonda belirgin, anlamli bir tutulum saptanmamistir. Elde edilen sonuçlar Ga-68 isaretli UBI29-41 ile enfeksiyon ile steril enflamasyon ayriminin potansiyel olarak yapilabilecegi yönündedir. Son dönemde Mokaleng ve ark. bir antimikrobiyal peptid derivesi olan TBIA 101’i DOTA ile baglayip Ga-68 ile isaretleyerek enfeksiyon görüntülemedeki potansiyelini arastirmislardir (32). Ga-68 DOTA-TBIA 101 mikro PET/BT farelerde Escherichia coli ile olusturulan kas enfeksiyonlarinin görüntülemesinde kullanilmistir. Radyofarmasötik tutulumu enfekte uyluk kasinda (333) enfekte olmayan uyluk, ön kol (92) kasina ve geri plan aktivitesine (21) oranla anlamli olarak daha yüksek bulunmustur. Ga-68 DOTA-TBIA 101 ile enfeksiyon alani net bir sekilde lokalize edilirken karsi taraf kaslarda belirgin bir tutulum saptanmamistir.

I-124 Fialuridine

The radioiodinated thymidine analogue fialuridine (FIAU) was developed for reporter genes, for cells that were transfected with herpes simplex virus thymidine kinase (TK). This enzyme transfers a phosphate group from ATP to pyrimidine deoxynucleoside. The lipophilic agent diffuses into the cell where it is trapped with the TK activity, because the phosphorylated tracer cannot pass the plasma membrane (12). Bettegowda et al. demonstrated that the TK gene of bacteria was sufficiently similar to that of the viral TK and that FIAU could also be phosphorylated by endogenous bacterial TK (13). In their investigation, FIAU inhibited wild-type bacterial growth, but had no effect on TK-deficient bacterial growth. Using the single photon emitting I-125 labeled FIAU, they successfully imaged bacterial infections in mice. Uptake in foci of infection was identified within four hours after radiopharmaceutical administration. The authors speculated that activity remained in infected tissues because I-125 FIAU was incorporated into the bacterial DNA. Activity in uninfected tissue, however, decreased over time, resulting in high target to background ratios by 48 hours after radiopharmaceutical administration.

Pullambhatla et al. investigated the role of I-125 FIAU imaging in murine bacterial pulmonary infection (14). Uptake in infected lungs was present at two hours post injection and was significantly higher than uptake in infected than inflamed uninfected and control lungs. There was a significant decrease in pulmonary uptake following antibiotic treatment. The investigators suggested that radiolabeled FIAU bacterial imaging might be useful to facilitate the development of new antibiotics in preclinical models.

Diaz et al. conducted a pilot investigation of I-124 FIAU PET/CT for diagnosing musculoskeletal infection in nine subjects including eight with suspected infection and one healthy control (15). None of the subjects received antibiotic treatment for at least three weeks prior to imaging. All seven patients with musculoskeletal infection demonstrated radiopharmaceutical uptake at the site of infection within two hours after injection. There was no abnormal uptake in one subject without infection or in the one control. There were no adverse reactions among any of the nine subjects.

Results of subsequent investigations of I-124 FIAU for diagnosing musculoskeletal infection, however, have been disappointing. Zhang et al. prospectively investigated the role of I-124 FIAU for diagnosing lower extremity joint arthroplasty infection in 19 subjects, all of whom underwent surgery within thirty days after imaging (16). Three of the 19 had a final diagnosis of infection. Imaging was performed at two and twenty fours after radiopharmaceutical administration. Interpretation of the PET/CT images was hampered by metal induced attenuation correction artifacts. On the uncorrected PET images, there was diffuse, pronounced muscle uptake. None of the semiquantitative measures used, which included target-to-background ratio SUVmax, SUVmean and SUVpeak, were useful for differentiating infected from uninfected prostheses. The authors concluded that the utility of I-124 FIAU in the detection of prosthetic joint infection is limited by suboptimal image quality due to metal artifact and high nonspecific muscle uptake. The results of an investigation of I-124 FIAU for diagnosing pedal osteomyelitis in diabetics also were disappointing. The study was terminated because of a lack of correlation between I-124 FIAU uptake and bone biopsy results (17).

Conclusion

The value of FDG-PET in the diagnostic workup of patients with infection and inflammation is now well established. The most significant limitation to this radiopharmaceutical is lack of specificity. Investigators have sought both to capitalize on the advantages that PET offers compared to single photon emitting radiopharmaceuticals, and to develop PET radiopharmaceuticals with improved specificity for infection. Initial investigations focused on in-vitro labeling of leukocytes with PET radionuclides. Although published results have been encouraging, these agents, for a variety of reasons, have not enjoyed widespread use, nor is it likely that they will. Furthermore, while labeled leukocytes are specific for leukocyte migration, they are not truly specific for infection. Initial results with I-124 FIAU, thought to be infection specific, were encouraging, but more recent data have dampened enthusiasm for this agent. Preliminary results with Ga-68 labeled siderophores and antimicrobial peptides are exciting, but clinical trials are needed before their value can truly be ascertained.

Flurodeoxyglucose İşaretli Lökositler

FDG’ye oranla daha spesifik bir PET ajani gelistirmedeki ilk girisim otolog lökositlerin in vitro olarak isaretlenmesi yöntemidir. Yaklasik 25 yil önce Osman ve Danpure, insan lökositlerini FDG ile in vitro isaretleyerek bu yöntemi gelistirmislerdir (1). FDG tutulumunun isaretleme ortamindaki glikoza bagli oldugunu göstermislerdir. Ortamdaki glikoz konsantrasyonu 15 µg/mL iken %80 olan isaretleme etkinligi, glikoz konsantrasyonu 1 mg/mL oldugunda %2’ye düsmektedir. Hücre içi glikoz retansiyonu glikozun ekstraselüler konsantrasyonuna baglidir. Ekstrasellüler glikoz yoklugunda ilk 1 saatte FDG’nin %92’si lökositlerce tutulmaktadir. Ekstraselüler glikoz konsantrasyonunun 1 mg/mL olmasi halinde ise bu oran %73’e düsmektedir. Forstrom ve ark.’da insan lökositlerinin in vitro FDG isaretlemesi hakkindaki çalismalarinda Osman ve Danpure ile benzer sekilde isaretleme etkinligini %80 olarak bulmuslardir (1,2). Aktivitenin %80’inin granülosit fraksiyonunda, %14’ünün miks lenfosit-plazma fraksiyonunda ve %6’sinin plazma fraksiyonunda oldugu gösterilmistir. FDG isaretli lökositler trombositten fakir plazmada 4 saate kadar stabil kalabilmislerdir. Tripan mavi boya testi ile isaretleme sonrasi hücre canliligi mükemmel sekilde gösterilmistir. Forstrom ve ark. bu çalismayi takiben, 4 normal gönüllüden olusan çalismalarinda biyodistribüsyon ve dozimetri sonuçlarini degerlendirmislerdir (3). Buna göre; beklendigi üzere FDG isaretli lökositler primer olarak retiküloendotelyal sistemde dagilim göstermislerdir. Ayrica, büyük ihtimalle FDG’nin lökositlerden elüsyonuna bagli olarak serebral ve üriner sistem aktivitesi de gözlenmistir. FDG isaretli lökositler ile 222-252 MBq (6-6,8 mCi) aktivite uygulanmasi sonucu tüm vücut ve major organ dozimetre sonuçlari In-111 ile elde edilen sonuçlarla benzer bulunmustur (3). Pellegrino ve ark. FDG isaretli lökosit ve FDG’ye ait tutulumlari kemirgenlerde steril terebentin ile olusturulan akut enflamasyon ve Escherichia coli ve Pseudomonas aeruginosa ile olusturulan bakteriyel enfeksiyon modelinde karsilastirmislardir. Her iki radyofarmasötigin tutulumu da enfekte kas dokusunda enfekte olmayana oranla belirgin artmis olarak bulunmustur. Ortalama enfekte kas/enfekte olmayan kas tutulum orani FDG isaretli lökosit ile FDG’ye oranla yaklasik iki kat daha yüksek bulunmustur. Ayrica FDG isaretli lökositlerin enflame dokuyu normal dokudan ayirmada FDG’ye oranla daha üstün oldugu gösterilmistir. Arastirmacilar; enflamasyon alanindaki FDG isaretli lökosit akümülasyonunun sadece lökositlerden salinan serbest FDG’ye bagli olmadigi sonucuna varmislardir. Pio ve ark. FDG isaretli lökositler ile FDG’yi insan ve fare modelinde karsilastirmislar ve bu iki radyofarmasötigin normal dagilim paterninin farkli oldugu sonucunu bulmuslardir (5). FDG isaretli lökosit PET’in intestinal enflamasyon varligini ve ciddiyetini saptamada kantitatif bir belirteç olabilecegi sonucuna varmislardir. Hem farelerde hem de insanlarda normal saglikli gastrointestinal ve üriner traktta az miktarda FDG isaretli lökosit akümülasyonu olabilecegini ve FDG isaretli lökosit ile saptanan fokal intestinal odaklarin histopatolojik olarak veya kolonoskopik olarak konfirme edilen enflame barsak alanlarina karsilik geldigini bildirmislerdir. Tutulumun intensitesi de enflamasyonun siddeti ile korelasyon göstermektedir. Arastirmacilar FDG isaretli lökositler ile barsak enflamasyonunun hizli ve dogru bir sekilde, noninvaziv ve kantitatif olarak degerlendirilebilecegi sonucuna varmislardir. Dumarey ve ark. FDG isaretli lökosit yöntemi ile 21 hastayi prospektif olarak degerlendirmisler ve ortalama isaretleme etkinligini %75±21 (%24-96) olarak bulmuslardir (6). Ortalama in vitro stabilite isaretlemeden sonraki 4 saate kadar %90 olarak saptanmistir. Görüntüleme, isaretlenen hücrelerin tekrar enjeksiyonundan yaklasik 3 saat sonra gerçeklestirilmistir. Diger radyoisaretli lökositlerde oldugu gibi FDG isaretli lökositler de primer olarak retiküloendotelyal sistemde akümüle olmuslardir. FDG isaretli lökositlerin sensitivite, spesifite ve dogrulugu %86 olarak bulunmustur. Rini ve ark. 43 hastada, FDG isaretli lökosit görüntülemeyi bir gama kamera koinsidans sistemi kullanarak In-111 isaretli lökosit görüntüleme yöntemi ile karsilastirmislardir (7). Görüntülemeye 196-315 MBq FDG isaretli lökosit enjeksiyonundan yaklasik 2 ile 6 saat; 17-25 MBq In-111 isaretli lökosit enjeksiyonundan yaklasik 24 saat sonra baslanmistir. Kirk üç hastada, ortalama FDG isaretleme etkinligi %75±21 ile ortalama isaretlenme etkinligi %90±5 olan In-111’e oranla anlamli olarak daha düsük bulunmustur (1). FDG isaretli lökosit grubundan alti hasta isaretlenme etkinliginin %35’in altinda olmasindan dolayi çalisma disi birakilmistir. Tersine bu alti hastada In-111 isaretleme etkinligi %89-93 (ortalama %90±2) arasinda bulunmustur. FDG isaretli lökositler için ortalama hücre canliligi %98 ile ortalama hücre canliligi %81 (5/43) olan In-111 isaretli lökositler ile benzer bulunmus ve bu iki test arasinda yüksek ölçüde uyum saptanmistir. Aksoy ve ark. protez enfeksiyonlarinda FDG isaretli lökosit PET/bilgisayarli tomografinin (BT) tanisal rolünü arastirmislardir (8). Pozitif FDG PET/BT çalismasi olan 46 hastaya FDG isaretli lökosit PET/BT yapmislardir. Ortalama isaretleme etkinligi %75±17 olarak saptanmistir. Isaretli lökosit canlilik testi ise yapilmamistir. 296-703 MBq (8-19 mCi) FDG isaretli lökosit enjeksiyonundan yaklasik 60-90 dakika sonra görüntüleme yapilmistir. Çalismaya sadece periprostetik FDG tutulumu olan hastalar dahil edildiginden testin sadece pozitif öngörü degeri hesaplanabilmis ve %27 olarak bulunmustur. Tersine FDG isaretli lökosit PET/BT’nin pozitif öngörü degeri %93,3 olarak bulunmustur. FDG isaretli lökosit PET/BT için sensitivite, spesifite ve negatif öngörü degerleri sirasiyla %93,3, %97,4 ve %97,4 olarak bildirilmistir. Bhattacharya ve ark. akut pankreatitli hastalarin enfekte sivi koleksiyonlarinda FDG isaretli lökosit PET/BT’nin tanisal rolünü arastirmislardir (9). Ortalama isaretleme etkinligi %81±10 (%31-97) olarak bulunmustur. Tüm hastalarda isaretli lökosit canlilik orani %99’un üzerindedir. Isaretli hücrelerin enjeksiyonundan yaklasik iki saat sonra görüntüleme yapilmis ve testin enfekte sivi koleksiyonlarini saptamadaki dogruluk orani %100 olarak raporlanmistir. Yayinlarda FDG isaretli lökositlerin yararli bir enfeksiyon görüntüleme ajani oldugu belirtilse de bu prosedürün rutin klinik kullanima geçirilmesi halinde yanitlanmasi gereken sorular bulunmaktadir. Bunlardan ilki, FDG isaretli lökositlerin %25’in alti ile %90’in üzerinde bir aralikta degisen isaretleme etkinligidir (6,7,7,8,7,8,9,7,8,9,10). Bu degiskenlik göz önünde bulundurularak hücreleri isaretlemede ne kadar aktivite kullanilmalidir? En kötü senaryoyu düsünürsek örnegin %25 isaretleme etkinligi yeterli midir? Ya da isaretlenme etkinligi %90’in üzerinde ise neler olmaktadir? Enjekte edilecek aktivite de orantili olarak azaltilmali midir, eger öyleyse tanisal veri elde edebilmek için enjekte edilen hücrelerin sayisi yeterli olacak midir? Bir diger konu da FDG’nin stabilitesidir. Yayinlara ait sonuçlar degiskenlik göstermektedir. Dumarey ve ark. isaretlemeden yaklasik dört saat sonra %90’lara varan bir ortalama stabilite degeri verirken Bhargava ve ark. tersine ilk bir saatte %85±4, dört saatte ise %68±7’ye düsen bir ortalama stabilite degerinden söz etmektedirler (6,7,8,9,10). Kiyaslandiginda, In-111 isaretli lökositlerin ortalama stabilitesi ise birinci saate %94±2; dördüncü saatte %91±3 ile her iki zaman diliminde de anlamli olarak daha yüksek bulunmustur. Isaretleme etkinligi ve stabilite gibi sorunlarin üstesinden gelindigini farz etsek de, F-18’in 110 dakika olan yarilanma ömrü kolayca çözülemeyecek lojistik problemlere neden olmaktadir. In vitro isaretleme prosedürü yaklasik 2 ile 3 saat sürmektedir. Bu nedenle hücreleri isaretlemede kullanilacak aktivite miktarini belirlerken bu süre de göz önünde bulundurulmalidir. F-18’in 110 dakikalik yarilanma ömrü, metodu tesis disinda uygulanmaya elverissiz hale getirerek isaretlemeyi sadece belirli alanlarla sinirlandirmaktadir. Bu; lökosit isaretleme prosedürlerinin çok büyük kisminin dis radyofarmasi laboratuvarlarinda yapildigi Birlesik Devletler’de çok önemli bir limitasyondur. Bazi durumlarda geç görüntü (örnegin; 24. saat gibi) alinmasi gerekebilmektedir. Böyle durumlarda F-18’in kisa yarilanma süresi enjeksiyondan 4-5 saat sonrasi için görüntü alinabilmesini imkansiz hale getirmektedir.