Concept and validation of a simple model of the intrathyroidal iodine kinetics

Summary

Aim of this study is the introduction and validation of a simple model of the intrathyroidal iodine kinetics, designed for optimizing radioiodine therapy planning and dose measurement in a routine clinical setting. Methods: The new model defines the intrathyroidal iodine kinetics as balance of the thyroidal iodine intake and -excretion, characterized by the two exponential equations A_t = A₀ * (1-exp(-λ₁t)) and A_t = A₀ * (exp(-λ₂t) -1), respectively. A₀ describes the theoretically maximum iodine uptake when the thyroidal iodine excretion is ignored, λ₁ and λ₂ represent the constants characterizing the iodine intake and excretion, respectively. The thyroidal iodine content at the time t equals the sum of both functions, which is A_t = A₀ * (exp(-λ₂t)-exp(-λ₁t)). In 25 patients with autonomous goiter / nodules (n = 18), Graves’ disease (n = 5), or endemic euthyroid goiter (n = 2), the iodine uptake in the thyroid during the radioiodine therapy as fraction of the applied activity was determined daily, with the remaining body covered by a lead shield. On average, 7.2 measurements were performed per patient (minimum 4, maximum 13). With these uptake values, individual regression curves were fitted using the above equation, and the difference between the actual measurements and the corresponding values of the regression curves was determined.

Results: The average deviation of the 179 uptake values from the calculated points of the respective regression curves was only 1.4%. There was no significant difference between the three disease groups. The distribution of the relative deviations during the individual courses was constant, systematic errors were not detected. Conclusion: Our results suggest that the intrathyroidal iodine kinetics can be precisely described with the model A_t = A₀ * (exp(-λ₂t)-exp(-λ₁t)). With only three measurements, the trend of the curve can be calculated, which allows to determine the total radioiodine storage in the thyroid.

Zusammenfassung

Ziel: Vorstellung und Validierung eines einfachen Modells der intrathyroidalen Iodkinetik zur Optimierung der Therapieplanung und der intratherapeutischen Dosimetrie. Methoden: Das vorgestellte Modell beschreibt die thyroidale Iodkinetik als Bilanz von Iodaufnahme und -abgabe, die durch die Funktionen A_t = A₀ * (1-exp(-λ₁t)) bzw. A_t = A₀ * (exp(-λ₂t) -1) gekennzeichnet werden. Dabei bezeichnen A₀ die theoretisch maximal mögliche Iodaufnahme bei Vernachlässigung der thyroidalen Hormonexkretion und λ₁ bzw. λ₂ die Konstanten für die thyroidale Iodaufnahme und -abgabe. Der intrathyroidale Iodgehalt zum Zeitpunkt t entspricht der Summe dieser beiden Exponentialfunktionen, gemäß A_t = A₀ * (exp(-λ₂t)-exp(-λ₁t)). Bei insgesamt 25 Patienten mit autonomer Struma / Knoten (n = 18), Morbus Basedow (n = 5) oder euthyreoter Struma (n = 2), wurde die prozentuale Iodspeicherung der Schilddrüse während der Radioiodtherapie täglich gemessen, wobei der Restkörper durch eine Bleiwand abgeschirmt war. Durchschnittlich erfolgten 7,2 Messungen pro Patient (minimal 4, maximal 13). Mit diesen Messwerten wurden individuelle Regressionskurven mit Hilfe der vorgestellten Gleichung angepasst und die relative Abweichung der gemessenen Uptake-Werte von den errechneten Kurvenpunkten bestimmt. Ergebnisse: Die durchschnittliche Differenz der gemessenen 179 Werte von den errechneten Kurvenpunkten betrug nur 1,4%, wobei kein signifikanter Unterschied zwischen den drei Krankheitsgruppen nachweisbar war. Die individuelle Verteilung der relativen Abweichungen war im zeitlichen Verlauf konstant, systematische Fehler waren nicht erkennbar. Schlussfolgerung: Die vorliegenden Daten zeigen, dass sich die intrathyroidale Iodkinetik mit Hilfe des Modells A_t = A₀ * (exp(-λ₂t)-exp(-λ₁t)) präzise beschreiben lässt. Bereits mit drei Messpunkten kann der Kurvenverlauf näherungsweise errechnet und die integrale Iodspeicherung der Schilddrüse ermittelt werden.

Keywords

Thyroidal iodine kinetics - radioiodine test - iodine clearance - maximum uptake - effective half life

Schlüsselwörter

Intrathyroidale Iodkinetik - Radioiodtest - Iodid-Clearance - maximaler Uptake - effektive Halbwertszeit

• Literatur

• 1 Bastiani P, Simon C. Thyroid iodine compartments and their implication in the rat thyroid iodine organification. Endocrinology 1982; 110: 1716-9.
• 2 Berman M, Hoff E, Barandes M, Becker DB, Sonenberg M, Benua RM, Koutras DA. Iodine kinetics in man – a model. J Clin Endocrinol Metab 1968; 28: 1-14.
• 3 Bogner L, Czempiel H. Näherungsfehler bei der physikalischen Planung der Radiojodtherapie der Schilddrüse. Nuklearmedizin 1993; 32: 236-46.
• 4 Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizin (DGN). Leitlinie zur Radioiodtherapie (RIT) bei benignen Schilddrüsenerkrankungen. DGNHomepage www.nuklearmedizin.de
• 5 Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizin (DGN).. Verfahrensanweisung zum Radioiod-test. Nuklearmedizin 2003; 42: 116-9.
• 6 Di Martino F, Traino AC, Brill AB, Stabin MG, Lazzer M. A theoretical model for prescription of the patient-specific therapeutic activity for radioiodine therapy of Graves’ disease. Phys Med Biol 2002; 47: 1493-9.
• 7 Koutras DA, Papadopoulos SN, Sfontouris JG, Rigopoulos GA. Comparison of methods for estimating the plasma inorganic iodine and the absolute iodine uptake by the thyroid gland. J Clin Endocrinol Metab 1968; 28: 757-60.
• 8 Marinelli LD, Quinby EH, Hine GJ. Dosage determination with radioactive isotopes. Practical considerations in therapy and protection. Am J Roentgenol 1948; 59: 260-81.
• 9 Nüchel C, Boddenberg B, Schicha H. Die Bedeutung des Radiojodtests für die Berechnung der Therapiedosis bei benignen Schilddrüsenerkrankungen. Nuklearmedizin 1993; 32: 91-8.
• 10 Rendl J, Hempel K, Tilling W, Brabant G, Reiners Chr. Plasmaiodkinetik nach oraler Applikation unterschiedlicher Mengen von Kaliumjodid: Theoretische und experimentelle Ergebnisse. Endokrinologie 2000; 24: 25-8.
• 11 Rösler H. Radiojodtherapie bei Schilddrüsen-leiden: Naturwissenschaftliche versus magische Konzepte. Nuklearmediziner 1987; 10: 77-86.
• 12 Sudova K, Langer P. Iodine kinetics and hypothalamo-pituitary regulation of thyroid function following its short-term inhibition: simulation with the aid of compartmental system modelling (COSMO). Comput Biomed Res 1975; 8: 88-96.
• 13 Waters W, Kutzim H, Wellner U. The influence of elevated iodine supply on the autonomously functioning thyroid gland. Nuklearmedizin 1984; 23: 93-9.
• 14 Weber K, Wellner U, Schicha H. Einfluss stabilen Iods auf den Schilddrüsenuptake – Modellrechnung versus Experiment. Nuklearmedizin 2001; 40: 31-7.
• 15 Wellner U, Alef K, Schicha H. Der Einfluß physiologischer und pharmakologischer Iodmengen auf den ¹³¹I-Uptake der Schilddrüse – Eine Modellrechnung. Nuklearmedizin 1996; 35: 251-63.
• 16 Wellner U, Schicha H. Die Therapie von Schilddrüsenerkrankungen mit ¹³¹I in einer Betten-station mit Abklinganlage. Nuklearmedizin 1993; 32: 149-55.
• 17 Zeghal N, Gondran F, Redjem M, Giudicelli MD, Aissouni Y, Vigouroux E. Iodide and T4 kinetics in plasma, thyroid gland and skin of 10-day-old rats: effects of iodine deficiency. Acta Endocrinol 1992; 127: 425-34.