Nuklearmedizin 2018; 57(03): 100-107
DOI: 10.3413/Nukmed-0970-18-04
Original Article
Schattauer GmbH

Comparison of 68Ga- and fluorescence-labeled microspheres for measurement of relative pulmonary perfusion in anesthetized pigs

Vergleich von 68Ga- und Fluoreszenz-markierten Mikrosphären für Messungen der relativen pulmonalen Perfusion in anästhesierten Schweinen
Anja Braune
1   Pulmonary Engineering Group, Department of Anaesthesiology and Critical Care Medicine, University Hospital Carl Gustav Carus at the Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
,
Martin Scharffenberg
1   Pulmonary Engineering Group, Department of Anaesthesiology and Critical Care Medicine, University Hospital Carl Gustav Carus at the Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
,
Anne Naumann
2   Department of Nuclear Medicine, University Hospital / Faculty of Medicine Carl Gustav Carus at the Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
,
Thomas Bluth
1   Pulmonary Engineering Group, Department of Anaesthesiology and Critical Care Medicine, University Hospital Carl Gustav Carus at the Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
,
Marcelo Gama de Abreu
1   Pulmonary Engineering Group, Department of Anaesthesiology and Critical Care Medicine, University Hospital Carl Gustav Carus at the Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
,
Jörg Kotzerke
2   Department of Nuclear Medicine, University Hospital / Faculty of Medicine Carl Gustav Carus at the Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
› Author Affiliations
Further Information

Publication History

received: 05 April 2018

accepted in revised form: 18 April 2018

Publication Date:
05 June 2018 (online)

Summary

Aim: We compared 68Gallium (68Ga)- and fluorescence-labeled microspheres for measurement of pulmonary perfusion distribution in anesthetized pigs without lung injury. Methods: In two mechanically ventilated pigs, the distribution of pulmonary perfusion was marked in vivo with 68Ga- and fluorescence-labeled microspheres in supine and prone position. After each injection, the distribution of 68Ga-labeled microspheres was measured in vivo with positron emission tomography/ computed tomography (PET/CT) in the position in which microspheres were injected and vice versa. The distribution of fluorescence-labeled microspheres was measured ex vivo. Perfusion distributions were compared between methods and postures within four lung regions and along the ventro-dorsal gradient. After each injection of 68Ga-labeled microspheres, changes in ventro-dorsal perfusion gradients induced by repositioning were compared for volume- and mass-normalized PET/CT measurements. Results: Regional and gradient analyses of in vivo and ex vivo measurements, respectively, consistently revealed higher pulmonary perfusion in dorsal than ventral regions in supine positioned animals. Both methods showed more pronounced perfusion gradients in supine compared to prone position. Changes in animal position were associated with alterations in the ventro-dorsal perfusion gradient when volume-, but not mass-normalization was conducted for PET/CT data. Conclusions: Ex vivo fluorescence- and in vivo 68Ga-labeled microspheres measurements revealed similar perfusion distributions. Mass-normalized perfusion measurements by 68Ga-labeled microspheres and PET/CT were not affected by positioning artifacts.

Zusammenfassung

Ziel: Die Studie diente dem quantitativen Vergleich von ex vivo und in vivo Messungen der pulmonalen Perfusion mittels Fluoreszenzbzw. 68Gallium (68Ga)-markierten Mikrosphären und Positronen-Emissions-Tomographie/ Computertomographie (PET/CT) in anästhesierten Tieren ohne Lungenschädigung. Methodik: Die pulmonale Perfusion wurde in zwei mechanisch beatmeten Schweinen in vivo mittels 68Ga-markierten Mikrosphären und PET/CT und ex vivo mittels Fluoreszenzmarkierten Mikrosphären gemessen. Der Einfluss der Lage der Tiere auf die pulmonale Perfusionsverteilung wurde mittels beider Messverfahren durch jeweils zwei Mikrosphäreninjektionen in Rücken- bzw. Bauchlage untersucht. Die Perfusionsverteilung wurde in vier Lungenregionen sowie entlang des ventro-dorsalen Gradienten zwischen den Messmethoden verglichen. Weiterhin wurde analysiert, ob eine Umlagerung der Tiere von Rücken- auf Bauchlage und umgekehrt und eine damit verbundene Gewebsumverteilung die in vivo Messungen der ventro-dorsalen Perfusionsverteilung beeinflusst. Hierfür erfolgten PET/CT-Messungen der Verteilung von 68Ga-markierten Mikrosphären sowohl in der Lage, in welcher die Mikrosphären injiziert wurden, als auch in der entgegengesetzten Position. Die Veränderung der ventrodorsalen Perfusionsverteilung wurde mittels des Perfusionsgradienten für Volumen- und Masse-normalisierte Perfusionsdaten analysiert. Ergebnisse: Die für die Auswertung der Fluoreszenz-markierten Mikrosphären erforderliche Lungenentnahme und Weiterverar-beitung führte zu deren Vergrößerung und Verformung. Beide Messverfahren detektierten stärkere Perfusionen in dorsalen im Vergleich zu ventralen Arealen in Rückenlage sowie größere ventro-dorsale Perfusionsunterschiede in Rückenlage als in Bauchlage. Eine Umlagerung der Tiere ohne erneute Mikrosphäreninjektion veränderte die ventro-dorsale Verteilung Volumen-normalisierter Perfusionsmessungen, während sich die Verteilung Masse-normalisierter Perfusionsdaten nicht änderte. Schlussfolgerung: Ex vivo und in vivo Perfusionsmessungen mittels Fluoreszenz- bzw. 68Ga-markierten Mikrosphären detektierten übereinstimmende Perfusionsverteilungen, trotzdem die ex vivo Prozessierungen Lungendeformationen bedingten. Masse-, aber nicht Volumen-korrigierte PET/CT Messungen der Verteilung von 68Ga-markierten Mikrosphären waren unbeeinflusst von Positionierungsartefakten, welche durch Umverteilung von Lungengewebe induziert wurden.

 
  • References

  • 1 Altemeier WA, McKinney S, Krueger M. et al. Effect of posture on regional gas exchange in pigs. J Appl Physiol 2004; 97: 2104-2111.
  • 2 Beck KC. Influence of vascular distending pressure on regional flows in isolated perfused dog lungs. J Appl Physiol 1990; 69: 1869-1874.
  • 3 Beck KC, Rehder K. Differences in regional vascular conductances in isolated dog lungs. J Appl Physiol 1986; 61: 530-538.
  • 4 Gattinoni L, Caironi P, Pelosi P. et al. What has computed tomography taught us about the acute respiratory distress syndrome?. Am J Respir Crit Care Med 2001; 164: 1701-1711.
  • 5 Glenny RW, Bernard S, Brinkley M. Validation of fluorescent-labeled microspheres for measurement of regional organ perfusion. J Appl Physiol 1993; 74: 2585-2597.
  • 6 Glenny RW, Lamm WJ, Albert RK. et al. Gravity is a minor determinant of pulmonary blood flow distribution. J Appl Physiol 1991; 71: 620-629.
  • 7 Glenny RW, Polissar L, Robertson HT. Relative contribution of gravity to pulmonary perfusion heterogeneity. J Appl Physiol 1991; 71: 2449-2452.
  • 8 Henderson AC, Sa RC, Theilmann RJ. et al. The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung. J Appl Physiol 2013; 115: 313-324.
  • 9 Hofman MS, Beauregard JM, Barber TW. et al. 68Ga PET/CT ventilation-perfusion imaging for pulmonary embolism: a pilot study with comparison to conventional scintigraphy. J Nucl Med 2011; 52: 1513-1519.
  • 10 Hopkins SR, Henderson AC, Levin DL. et al. Vertical gradients in regional lung density and perfusion in the supine human lung: the Slinky effect. J Appl Physiol 2007; 103: 240-248.
  • 11 Hubler M, Souders JE, Shade ED. et al. Validation of fluorescent-labeled microspheres for measurement of relative blood flow in severely injured lungs. J Appl Physiol 1999; 87: 2381-2385.
  • 12 Jones AT, Hansell DM, Evans TW. Pulmonary perfusion in supine and prone positions: an electronbeam computed tomography study. J Appl Physiol (1985) 2001; 90: 1342-1348.
  • 13 Kotzerke J, Andreeff M, Wunderlich G. et al. [Ventilation-perfusion-lungscintigraphy using PET and 68Ga-labeled radiopharmaceuticals]. Nuklearmedizin 2010; 49: 203-208.
  • 14 Lamm WJ, Bernard SL, Wagner Jr WW. et al. Intravital microscopic observations of 15-microm microspheres lodging in the pulmonary microcirculation. J Appl Physiol 2005; 98: 2242-2248.
  • 15 Matsunaga K, Yanagawa M, Otsuka T. et al. Quantitative pulmonary blood flow measurement using (15)O-H2O PET with and without tissue fraction correction: a comparison study. EJNMMI Res 2017; 07: 102.
  • 16 Mintun MA, Ter-Pogossian MM, Green MA. et al. Quantitative measurement of regional pulmonary blood flow with positron emission tomography. J Appl Physiol 1986; 60: 317-326.
  • 17 Musch G, Venegas JG. Positron emission tomography imaging of regional pulmonary perfusion and ventilation. Proc Am Thorac Soc 2005; 02: 522-527 508-529..
  • 18 Oehme L, Zophel K, Golgor E. et al. Quantitative analysis of regional lung ventilation and perfusion PET with (68)Ga-labelled tracers. Nucl Med Commun 2014; 35: 501-510.
  • 19 Petersson J, Rohdin M, Sanchez-Crespo A. et al. Posture primarily affects lung tissue distribution with minor effect on blood flow and ventilation. Respir Physiol Neurobiol 2007; 156: 293-303.
  • 20 Prisk GK, Yamada K, Henderson AC. et al. Pulmonary perfusion in the prone and supine postures in the normal human lung. J Appl Physiol 2007; 103: 883-894.
  • 21 Rhodes BA, Zolle I, Buchanan JW. et al. Radioactive albumin microspheres for studies of the pulmonary circulation. Radiology 1969; 92: 1453-1460.
  • 22 Richard JC, Janier M, Decailliot F. et al. Comparison of PET with radioactive microspheres to assess pulmonary blood flow. J Nucl Med 2002; 43: 1063-1071.
  • 23 Richter T, Bergmann R, Pietzsch J. et al. Effects of posture on regional pulmonary blood flow in rats as measured by PET. J Appl Physiol 2010; 108: 422-429.
  • 24 Schuster DP, Kaplan JD, Gauvain K. et al. Measurement of regional pulmonary blood flow with PET. J Nucl Med 1995; 36: 371-377.
  • 25 Treppo S, Mijailovich SM, Venegas JG. Contributions of pulmonary perfusion and ventilation to heterogeneity in V(A)/Q measured by PET. J Appl Physiol 1997; 82: 1163-1176.
  • 26 Velasco C, Mateo J, Santos A. et al. Assessment of regional pulmonary blood flow using (68)GaDOTA PET. EJNMMI Res 2017; 07: 7.
  • 27 Walther SM, Domino KB, Glenny RW. et al. Pulmonary blood flow distribution in sheep: effects of anesthesia, mechanical ventilation, and change in posture. Anesthesiology 1997; 87: 335-342.
  • 28 Willmott N, Chen Y, Goldberg J. et al. Biodegradation rate of embolized protein microspheres in lung, liver and kidney of rats. J Pharm Pharmacol 1989; 41: 433-438.
  • 29 Wunderlich G, Schiller E, Bergmann R. et al. Comparison of the stability of Y-90-, Lu-177- and Ga-68-labeled human serum albumin microspheres (DOTA-HSAM). Nucl Med Biol 2010; 37: 861-867.