Open Universiteit

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1820/6108
Title: In Vivo [18F]FDG Micro PET Imaging in Developmental Neurotoxicology. A Feasibility Study in a Rat Model with Ethanol.
Other Titles: In vivo beeldvorming met [18F]FDG micro PET in ontwikkelingsneurotoxicologie. Een haalbaarheidsstudie met ethanol in ratten.
Authors: Bogaart, Mark
Issue Date: May-2013
Publisher: Open Universiteit
Citation: Bogaart, Mark. (2013). In Vivo [18F]FDG MicroPET Imaging in Developmental Neurotoxicology. A Feasibility Study in a Rat Model with Ethanol [In vivo beeldvorming met [18F]FDG micro PET in ontwikkelingsneurotoxicologie. Een haalbaarheidsstudie met ethanol in ratten]. (Unpublished MSc Master’s Thesis Environmental Sciences), Open Universiteit, Heerlen, NL.
Abstract: ABSTRACT. Little is known about the toxic effects of various chemicals on the unborn child during pregnancy, or about the role of prenatal exposure of ethanol on vulnerability for diseases later in life. Current preclinical reproductive toxicity tests in animals mainly focus on physical malformations of the newborn. However, ‘hidden effects’ of toxic compounds like dysregulation of neuronal development often remain undetected. Extensive neuropathological and behavioural tests have been issued, but these lack sensitivity and/or are very laborious and require many laboratory animals. As an alternative or supplemental test approach to conventional motor activity testing we investigated in rats the potential of functional [18F]FDG microPET brain imaging. F0-rats were exposed to ethanol (EtOH) 0%, 1.5%, 4.0%, 6.5% , 9.0%, 11.5%, 14.0% in drinking water from 14 days pre-mating to weaning of their litters (PND 21); F1-animals were further exposed up to sacrifice (PND 70±2) [TG OECD 433]. Brain weight and body weight were determined at several test ages as indicated in test guidelines for reproduction and developmental neurotoxicology. As an alternative or supplemental test approach to conventional motor activity testing –a test, also proposed in current test guidelines for toxicology- we investigated in rats the potential of functional [18F]FDG microPET brain imaging. Hereto, animals from three groups, i.e. 0%, 4.0%, 9.0% v/v EtOH, were selected for in vivo microPET imaging (N=5 female F1-rats/group; 1 rat/litter) and motor activity (MA) (N=10 female F1-rats/group; 1 rat/litter). Cerebral [18F]FDG uptake was measured at PND 18, 21, 35, 61 and analyzed with commercial available software (AsiPro); motor activity (MA) was assessed at PND 13, 17, 21, 60 and analyzed using Ethovision (Noldus, NL) software. Results of PET and MA were mutually compared as well as with the findings on brain and body weight measured in all dose groups. Regarding body weight (BW), the results demonstrated a dose related reduction in BW gain of F1-female animals which was significant for the 4.0%, 6.5%, 9.0%, 11.5% and 14.0% EtOH groups from PND 28 onwards. In contrast, the 1.5% EtOH group showed a suggestively higher BW than the control group up to PND 21. The highest dose group (set on tap water from PND 21 onwards) demonstrated a ‘catch-up growth’ reaching on PND 70 a level near that of the 4.0% and 6.5% EtOH group, however, still differing significantly from the control group. Brain weight on PND 70 was found to be significantly decreased for the 9.0% and 11.5% EtOH dose groups compared to the control group. The highest 14.0% EtOH dose group –set on water from PND 21 onwards- recovered from the toxic effects of ethanol. Brain activity measured by [18F]FDG brain microPET imaging was depressed by ethanol in a doserelated manner, significant (p<0.05) in the 9.0% EtOH group at PND 35 (striatum, thalamus, cerebellum/brain stem, midbrain, entorhinal/visual cortex, temporal/occipital/parietal cortex, hippocampus, frontal cortex) and PND 61 (striatum, thalamus, cerebellum/brain stem, hippocampus). Strikingly, at PND 21, the low dose of 4.0% EtOH tends towards increased [18F]FDG-activity in all regions of interest (ROI) analyzed. In some regions, this tendency (not significant) towards a biphasic effect, i.e. increase at low dose and reduction at high dose, seemed to be larger than in others, e.g. the hippocampus (p<0.1). Also motor activity was affected by ethanol, albeit not significantly. Over all, the pattern of activity in the 4.0% EtOH group resembled that of the control group; activity in the 9.0% EtOH group, however, showed tendency (not significant) towards hyper-activity on PND 17 and hypo-activity on PND 60. This hyper-activity seemed due to the fact that animals at this time point had difficulties to habituate. The hypo-activity (not significant) on PND 60 suggested a subtle overall decrease over the total test session; however, habituation was no longer impaired. Our results demonstrate that life cycle exposure to EtOH [TG OECD 443] caused a persistent defect in the young adult F1-animal. Suggestive (non significant) developmental and neurotoxic changes induced by ethanol in the first-generation offspring as detected by conventional motor activity testing using 10 rats/group, could be detected by [18F]FDG microPET imaging using a maximum of 5 rats/group only. These observations warrant further evaluation of PET imaging as a tool for developmental neurotoxicity studies. The rat model with EtOH may also serve to further unravel mechanisms underlying alcohol intoxication in humans.
Description: SAMENVATTING. Er is weinig bekend over de toxische effecten van verschillende chemicaliën op het ongeboren kind gedurende de zwangerschap, of over de rol van prenatale blootstelling van ethanol op de kwetsbaarheid van ziekten op latere leeftijd. Huidige preklinische reproductieve testen in dieren concentreren zich op fysieke misvormingen van pasgeborenen. Echter, ‘verborgen effecten’ van toxische stoffen zoals ontregeling van de neuronale ontwikkeling blijft vaak onontdekt. Uitgebreide neuropathologische testen en gedragstesten zijn uitgevaardigd, maar missen de testgevoeligheid en/of zijn erg arbeidzaam en vereisen veel proefdieren. Als een alternatief of supplementaire testbenadering voor de conventionele motoractiviteit test hebben we het potentieel van functionele beeldvorming in het brein met [18F]FDG micro PET onderzocht F0-ratten werden blootgesteld aan ethanol (EtOH) 0%, 1.5%, 4.0%, 6.5% , 9.0%, 11.5%, 14.0% in drinkwater vanaf 14 dagen voor het paren tot (einde van) zoogperiode van hun nakomelingen (postnatale dag 21; PND 21); F1-dieren werden verder blootgesteld tot opoffering (PND 70±2) [Testrichtlijn OECD 433]. Brein –en lichaamsgewicht werden vastgesteld op verscheidene testleeftijden zoals aangegeven in de testrichtlijnen voor reproductie en ontwikkelingsneurotoxiciteitsonderzoek. Als een alternatief of supplementaire testbenadering voor de conventionele motoractiviteit test –een test die ook in de huidige testrichtlijnen voor toxicologie is voorgesteld- hebben we het potentieel van functionele beeldvorming in het brein van ratten met [18F]FDG micro PET onderzocht. Hiertoe zijn dieren van drie groepen geselecteerd, namelijk 0%, 4.0%, 9.0% v/v EtOH voor in vivo beeldvorming met micro PET (N=5 vrouwelijke F1-ratten/groep; 1 rat/nest) en motoractiviteit (MA) (N=10 vrouwelijke F1-ratten/groep; 1 rat/nest). Cerebrale [18F]FDG opname werd gemeten op PND 18, 21, 35, 61 en geanalyseerd met commercieel verkregen software (AsiPro); motoractiviteit (MA) werd vastgesteld op PND 13, 17, 21, 60 en geanalyseerd met behulp van Ethovision (Noldus, NL) software. PET en MA resultaten werden met elkaar vergeleken evenals met de bevindingen in het brein -en lichaamsgewicht die gemeten werden in alle dosisgroepen. De resultaten van lichaamsgewicht (BW) toonden een dosisgerelateerde reductie in de toename van lichaamsgewicht van de F1-vrouwtjes die significant was voor de 4.0%, 6.5%, 9.0%, 11.5% and 14.0% EtOH groepen vanaf PND 28. De 1.5% EtOH group toonde daarentegen een suggestief hoger lichaamsgewicht dan de controle groep tot aan PND 21. De hoogste dosisgroep (die op water was gezet vanaf PND 21) vertoonde een ‘inhaalslag’ waarbij op PND 70 het lichaamsgewicht een waarde bereikte die vergelijkbaar was met de 4.0% en 6.5% EtOH groep. Het lichaamsgewicht van de 14.0% EtOH groep was echter nog steeds significant lager ten opzichte van de controle groep. Breingewicht op PND 70 was significant lager voor de 9.0% and 11.5% EtOH dosisgroepen in vergelijking met de controle groep. De hoogste 14.0% EtOH dosisgroep -die vanaf PND 21 op water werd gezet- herstelde van de toxische EtOH-effecten. Breinactiviteit gemeten met behulp van beeldvorming met [18F]FDG microPET was verlaagd door ethanol op een dosisgerelateerde manier die significant was op PND 35 in de 9.0% EtOH groep (striatum, thalamus, cerebellum/hersenstam, middenhersenen, entorhinale/visuele cortex, temporale/occipitale/pariëtale cortex, hippocampus, frontale cortex) en PND 61 (striatum, thalamus, cerebellum/hersenstam, hippocampus). De lage 4.0% EtOH dosisgroep op PND 21 vertoont opvallend een toegenomen [18F]FDG-activiteit in alle geanalyseerde ‘regions of interest’ (ROI). In sommige gebieden leek deze niet-significantie tendentie groter richting een bifasisch effect, dat wil zeggen: toename bij lage dosis en reductie bij hoge dosis, bijvoorbeeld in de hippocampus (p<0.1). Motoractiviteit werd ook beïnvloed door ethanol, doch niet significant. In het algemeen was het activiteitspatroon van de 4.0% EtOH groep vergelijkbaar met dat van de controle groep; de activiteit in de 9.0% EtOH groep vertoonde daarentegen een tendentie (niet-significant) richting een hyperactiviteit op PND 17 en hypoactiviteit op dag 60. Deze hyperactiviteit zou te maken kunnen hebben met de verstoorde habituatie op PND 17. De hypoactiviteit (niet-significant) op PND 60 suggereerde een subtiel algehele afname over de de totale testsesse; echter, habituatie was niet langer verstoord. Onze resultaten tonen aan dat een levenscyclus blootstelling van EtOH [Testrichtlijn OECD 443] een persistent defect veroorzaakte in het jongwolwassen F1-dier. Suggestieve (niet signficante) ontwikkelings –en neurotoxische veranderingen geïnduceerd door ethanol in een eerste generatie nakomelingen zoals gedetecteerd door conventionele motoractiviteit 8 waarbij 10 ratten/groep worden gebruikt, kon ook door beeldvorming met [18F]FDG micro PET gedetecteerd worden waarbij slechts 5 ratten/groep werden gebruikt. Deze bevindingen rechtvaardigen verdere evaluatie van beeldvorming met PET als een instrument voor ontwikkelingsneurotoxiciteitsstudies. Het rattenmodel met EtOH zou ook kunnen dienen om verder mechanismen te ontrafelen die ten grondslag liggen aan alcohol intoxicaties bij mensen.
URI: http://hdl.handle.net/1820/6108
Appears in Collections:MSc Environmental Sciences

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MSc Research Thesis BOGAART_ Mark 201305.pdf708.67 kBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.