Quantitative accuracy of serotonergic neurotrans-mission imaging with high-resolution ¹²³I SPECT

Summary

Aim: Serotonin transporter (SERT) imaging can be used to study the role of regional abnormalities of neurotransmitter release in various mental disorders and to study the mechanism of action of therapeutic drugs or drugs’ abuse. We examine the quantitative accuracy and reproducibility that can be achieved with high-resolution SPECT of serotonergic neurotransmission. Method: Binding potential (BP) of ¹²³I labeled tracer specific for midbrain SERT was assessed in 20 healthy persons. The effects of scatter, attenuation, partial volume, mis-registration and statistical noise were estimated using phantom and human studies. Results: Without any correction, BP was underestimated by 73%. The partial volume error was the major component in this underestimation whereas the most critical error for the reproducibility was misplacement of region of interest (ROI). Conclusion: The proper ROI registration, the use of the multiple head gamma camera with transmission based scatter correction introduce more relevant results. However, due to the small dimensions of the midbrain SERT structures and poor spatial resolution of SPECT, the improvement without the partial volume correction is not great enough to restore the estimate of BP to that of the true one.

Zusammenfassung

Ziel: Die Serotonintransporter(SERT)-Bildgebung kann zur Untersuchung der Rolle regionaler Abnormalitäten der Neurotransmitterfreisetzung bei verschiedenen psychiatrischen Störungen und zur Untersuchung des Wirkmechanismus therapeutisch eingesetzter Medikamente oder von Medikamentenmissbrauch verwendet werden. Wir untersuchten die quantitative Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, die mit einer hochauflösenden SPECT der serotonergen Neurotransmission erreicht werden können. Methode: Es wurde das Bindungspotenzial (BP) eines für Mittelhirn-SERT spezifischen radioaktiv markierten ¹²³I-Tracers bei 20 Gesunden beurteilt. Die Effekte von Streuung, Schwächung, Teilvolumen, Fehlregistrierung und statistischem Rauschen wurden mittels Phantom- und Humanstudien geschätzt. Ergebnisse: Ohne jegliche Korrektur wurde das BP um 73% unterschätzt. Der Teilvolumenfehler machte bei dieser Unterschätzung den größten Anteil aus, während der entscheidende Fehler bei der Reproduzierbarkeit die falsche Einstellung der ROI (region of interest) war. Schlussfolgerung: Die richtige ROI-Registrierung und die Verwendung der Mehrkopf-Gammakamera mit einer auf der Transmission beruhenden Streuungskorrektur führen zu angemesseneren Ergebnissen. Aufgrund der kleinen Dimensionen der SERT-Strukturen des Mittelhirns und der schlechten räumlichen Auflösung der SPECT ist die Verbesserung ohne die Teilvolumenkorrektur nicht groß genug, um mit der Schätzung das tatsächliche BP wiederzugeben.

Keywords

Binding potential - ¹²³I - molecular brain imaging - serotonergic system

Schlüsselwörter

Bindungspotenzial - ¹²³I - molekulares Brain-Imaging - serotonerges System

• References

• 1 Acton PD, Kushner SA, Kung MP. et al. Simplified reference region model for the kinetic analysis of [^99mTc]TRODAT-1 binding to dopa-mine transporters in nonhuman primates using single-photon emission tomography. Eur J Nucl Med 1999; 26: 518-26.
• 2 Hiltunen J, Ekerman KK, Kuikka JT. et al. Iodine-123 labeled nor-β-CIT as a potential tracer for serotonin transporter imaging in the human brain with single-photon emission tomography. Eur J Nucl Med 1998; 25: 19-23.
• 3 Kauppinen T, Yang J, Kilpeläinen H. et al. Quantitation of neuroreceptors: a need for better SPECT imaging. Nuklearmedizin 2001; 40: 102-6.
• 4 Kauppinen TA, Bergström KA, Heikman P. et al. Biodistribution and radiation dosimetry of [¹²³I]ADAM in healthy human subjects: preliminary results. Eur J Nucl Med Mol Imag 2003; 30: 132-6.
• 5 Kim SE, Choi JY, Choe YS. et al. Serotonin transporters in the midbrain of Parkinson’s disease patients: a study with ¹²³I-beta-CIT SPECT. J Nucl Med 2003; 44: 870-6.
• 6 Kuikka JT, Tammela L, Karhunen L. et al. Reduced serotonin transporter binding in binge eating women. Psychopharmacology 2001; 155: 310-4.
• 7 Kuikka JT, Tenhunen-Eskelinen M, Jurvelin J. et al. Physical performance of the Siemens MultiSPECT3 gamma camera. Nucl Med Commun 1993; 14: 490-7.
• 8 Malison RT, Price LH, Berman R. et al. Reduced brain serotonin transporter availability in major depression as measured by [¹²³I]-2-beta-carbomethoxy-3-beta-(4-iodophenyl) tropane and single photon emission computed tomography. Biol Psychiatry 1998; 44: 1090-8.
• 9 Pirker W, Asenbaum S, Kasper S. et al. Beta-CIT SPECT demonstrates blockade of 5HTuptake sites by citalopram in the human brain in vivo. J Neural Transm Genet Sect 1995; 100: 247-56.
• 10 Soret M, Koulibaly PM, Darcourt J. et al. Quantitative accuracy of dopaminergic neuro-transmission imaging with ¹²³I SPECT. J Nucl Med 2003; 44: 1184-93.
• 11 Yang J, Kuikka JT, Jaatinen K. et al. A novel method of scatter correction using a single isotope for simultaneous emission and transmission data. Nucl Med Commun 1997; 18: 1071-6.