Visualization and Quantification of Neurokinin-1 receptors in Human Brain With Positron Emission Tomography

Abstract

ABSTRACT:

Substance P (SP) is a neurotransmitter serving numerous different functions in human central and peripheral nervous system. SP acts mainly through neurokinin‑1 receptors (NK1R). SP and NK1R are widely distributed in the human central nervous system. This neurotransmitter system modulates other neurotransmitter systems and adjusts network balances. The SP system regulates a wide variety of functions such as mood, stress, pain, inflammation, anxiety, and satiety. Therefore, this system is implicated in many pathological conditions such as major depression, anxiety, nausea and emesis, addiction and obesity. Our knowledge of the SP and NK1R systems derive mostly from animal studies, whereas human data is lacking., Direct in vivo research of SP and NK1R functions in man has become possible by using molecular imaging techniques such as positron emission tomography and specific neurokinin receptor tracers.

We had three main aims in this study: First, we validated a method to visualize and quantify NK1 receptors in human brain in vivo using PET and a fluorine‑18 labeled substance P antagonist receptor ligand [18F]SPA‑RQ. Second, we studied normal healthy subjects and tested if age or gender affect the availability of these receptors in human brain. Third, as this neurotransmitter system, and more specifically, NK1R antagonists, have been implicated in the treatment of major depressive disorder (MDD), we studied patients with MDD to see if these patients have changes in their brain NK1R availability.

We validated a method to image and quantify NK1R in human brain in vivo using [18F]SPA‑RQ. Reasonable scan time was determined as 240 minutes, cerebellum was available as a reference region as it was devoid of NK1Rs, and simplified reference tissue model (SRTM) was validated as a reliable method to model the data. Healthy volunteers had age‑related decrease of 7% per decade in NK1R availability in many brain regions. Females had lower brain NK1R1 availability than males with no statistical evidence for regional specificity. Patients with MDD did not have differences in their NK1R availability compared to healthy controls, but their rated symptoms on overall depression and anxiety correlated with NK1R binding in some brain regions.

These studies validated a method to image and quantify NK1R availability in human brain in vivo using PET. The application potential of this method is obvious in drug development (mechanism of action and dose‑finding) and in vivo studies of human physiology and disease processes related to the substance P system. In applied studies of this thesis, we found a decrease in NK1R availability during aging that follows the same rate that has been previously reported for many other receptor systems, such as the dopamine system. The detailed mechanisms in NK1 receptor sex differences are not know, but hormonal differences are likely to contribute. We found no difference on NK1R availability between patients with MDD and matched healthy controls, consistent with lack of efficacy of substance P antagonists in clinical trials in MDD and anxiety disorders. However, NK1 receptors did modulate the affective symptom domain in patients with MDD, however, NK1 receptor antagonism alone may be insufficient for clinical treatment of MDD.

TIIVISTELMÄ:

Substanssi P (SP) on hermoston välittäjäaine, joka on osallisena useissa eri keskus‑ ja perifeerisen hermoston toiminnoissa. Sen vaikutuksen välittyvät pääasiassa neurokiniini‑1 reseptoreiden kautta (NK1R). Tämän välittäjäaine toimii toisten välittäjäaineisysteemeiden modulaattorina ja säätää niiden tasapainoa vastaamaan elimistön kulloistakin tilaa riippuen esimerkiksi mielialasta, stressistä, tulehdustiloista ja kylläisyydestä. Tällä välittäjäaineella on mahdollisesti merkitystä monissa patologisissa tiloissa kuten masennuksessa, ahdistuneisuudessa, pahoinvoinnissa, riippuvuudessa ja lihavuudessa. SP:tä ja NK1R:ta esiintyy laajasti koko keskushermoston alueella. Suurin osa tiedostamme SP:stä ja NK1 toiminnoista perustuu eläintutkimuksiin ja ihmisillä tehtyjä tutkimuksia on vähän. Molekylaarikuvantaminen, esimerkiksi positroniemissiotomografialla ja spesifisillä neurokiniinireseptorien merkkiaineilla, on mahdollistanut SP:n ja NK1R:n toimintojen suoran in vivo tutkimisen.

Tutkimuksessamme oli kolme tavoitetta. Ensimmäinen tavoite oli kehittää menetelmä NK1‑reseptoreiden kuvantamiseen ja mittaamiseen ihmisen aivoissa in vivo käyttäen PET‑kuvausta ja substanssi P antagonisti‑merkkiainetta ([18]SPA‑RQ). Toinen tavoite oli tutkia terveillä vapaaehtoisilla koehenkilöillä iän ja sukupuolen vaikutuksia näiden reseptoreiden määrään ihmisen aivoissa. Kolmanneksi, koska tämä välittäjäaine on aikaisemmissa tutkimuksissa liitetty masennuksen patofysiologiaan, tutkimme miten masennus vaikuttaa NK1R määrään masennuspotilaiden aivoissa.

Tutkimuksessa validoimme menetelmän NK1R:en kuvantamiseen ja mittaamiseen in vivo käyttäen PET:aa ja [18F]SPA‑RQ‑merkkiainetta. Riittäväksi kuvaus ajaksi määritettiin 240 minuuttia, pikkuaivot osoittautuivat sopivaksi vertailualueeksi, ja yksinkertaistettu vertailukudosmalli validoitiin luotettavaksi tavaksi mallintaa saatua dataa. Terveillä vapaaehtoisilla havaittiin tapahtuvan NK1R sitoutumisen vähenemistä iän mukana noin 7% vuosikymmenessä monilla aivoalueilla. Naisilla NK1R sitoutumisen oli vähäisempää kuin miehillä monilla aivoalueilla. Masennuspotilailla NK1R:n sitoutuminen ei eronnut terveistä kontrolleista millään aivoalueella, mutta muutamilla alueilla reseptorien määrä oli yhteydessä potilaiden raportoimiin ahdistuneisuuteen ja masennuksen oireiden kokonaismäärään.

Tässä tutkimuksessa kehitettiin ja validoitiin menetelmä substanssi P‑järjestelmän keskeisen vaikutuskohdan, NK1 reseptorin kuvantamiseen ja mittaamiseen PET:lla ihmisen aivoissa in vivo . Selkein mahdollinen käyttökohde tälle menetelmälle on lääkekehitys, kuten toimintamekanismit ja annoksen etsintä, ja ihmisen fysiologian ja patologian in vivo tutkimukset. Käytimme tätä menetelmää onnistuneesti jatkotutkimuksissamme. Metodin suurimpana ongelmana on pitkä kuvausaika. Löytämämme ikään liittyvä NK1R sitoutumisen väheneminen on vastaavaa kuin esimerkiksi dopamiinireseptoreista on aikaisemmin raportoitu. Myöskään sukupuoleen liittyvien NK1 reseptorisitoutumiserojen syytä ei tiedetä, mutta esimerkiksi erot hormonitoiminnoissa ovat todennäköisesti näiden taustalla. Terveiden verrokkien ja masennuspotilaiden NK1R sitoutumisessa ei tutkimuksessamme havaittu eroja. Tämä tulos on linjassa sen kanssa, että substanssi P antagonisteilla ei ole havaittu olevan tehoa masennustilojen tai ahdistuneisuushäiriöiden hoidossa. NK1R sitoutumisella vaikuttaisi olevan yhteys masennuksen ja ahdistukseen oireisiin, mutta tämä yhteys on liian heikko, jotta masennus‑ tai ahdistuneisuushäiriöiden lääkehoidossa voitaisiin käyttää NK1R antagonisteja yksinään.