Chairs: G. Brix (Oberschleißheim), A. Mahnken (Marburg)
9 Einführungsvortrag – 3D, 4D…oder wie die CT laufen lernte
A. Mahnken
Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH
Zusammenfassung: Seit Einführung in die Klinik im jahr 1971 hat die CT eine rasante Entwicklung durchlaufen. Dabei wurde die morphologische Bildgebung von einem Werkzeug zum Lösen klinischer „Probleme“ zum konventionellen Rönt-genbild des 21. Jahrhunderts. Neben diesen klinischen Entwicklungen haben vor allem erhebliche technische Weiterent-wicklungen der letzten 20 Jahre – insbesondere in räumlicher und zeitlicher Auflösung, aber auch auf Seiten des Strah-lenschutzes den Weg geebnet, diese rein morphologisch konzipierte Bildgebungsmodalität in ein funktionelles Bildge-bungsverfahren weiterzuentwickeln. Auch innovative Konzepte der Kontrastmitteldarstellung, z.B. die Darstellung myokardialer Spätanreicherung haben zur Funktionalisierung der CT beigetragen, so dass mittlerweile eine mehrdimen-sionale funktionelle Bildgebung möglich ist. Zur Darstellung der Hirnperfusion ist dies seit Jahren eine Standardanwen-dung. Aktuelle Weiterentwicklungen betreffen die Herzbildgebung und großvolumige Quantifizierung der Tumorperfusion in der onkologischen Bildgebung. Anhand klinischer und experimenteller Beispiele, insbesondere aus den Bereichen Herzbildgebung und onkologischer Perfusionsuntersuchungen wird das aktuelle Potential der modernen CT als funktio-nelle Bildgebungsmodalität illustriert.
Abb.1: Fusion von funktioneller und morphologischer Information in einen Datensatz, hier zur Darstellung von Herzkranzgefäßen und Vitalität des Herzmuskels.
46. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik (DGMP) e. V.
Literatur
[1] Tong E, Komlosi P, Wintermark M. One-stop-shop stroke imaging with functional CT. Eur J Radiol. 2014 Dec 3.
doi:10.1016/j.ejrad.2014.11.027
[2] Knuuti J, Saraste A. Combined anatomical and functional CT imaging for the detection of coronary artery disease.
Eur Heart J Cardiovasc Imaging. 2014 Jan;15(1):106-7
[3] Kan Z, Phongkitkarun S, Kobayashi S, Tang Y, Ellis LM, Lee TY, Charnsangavej C. Functional CT for quantifying tumor perfusion in antiangiogenic therapy in a rat model. Radiology. 2005 Oct;237(1):151-8
46. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik (DGMP) e. V.
10 Untersuchung pharmakokinetischer Modelle zur Beschreibung des CB1-Rezeptorliganden [
18F]MK-9470
I. Miederer1, H.-G. Buchholz1, A. Kronfeld2, S. Maus1, V. Weyer3, N. Afahaene1, B. Lutz4, M. Schreckenberger1
1Universitätsmedizin Mainz, Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin, Mainz
2Universitätsmedizin Mainz, Institut für Mikroskopische Anatomie und Neurobiologie, Mainz
3Universitätsmedizin Mainz, Institut für Medizinische Biometrie, Epidemiologie und Informatik, Mainz
4Universitätsmedizin Mainz, Institut für Physiologische Chemie, Mainz
Fragestellungen: [18F]MK-9470 ist ein Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Ligand, der mit hoher Affinität an den Cannabinoid Typ 1 (CB1) Rezeptor bindet [1]. Der Ligand zeigt eine langsame Kinetik, sodass die Dauer eine PET-Messung oft nicht ausreicht, um die Dissoziationskonstante vom Rezeptor zu bestimmen [2]. Das Ziel dieser Kleintierstu-die mit Ratten war daher, Kleintierstu-die Untersuchung verschiedener pharmakokinetischer Modelle zur Bestimmung einzelner Ra-tenkonstanten und des Distributionsvolumens.
Material und Methoden: Nach i.v. Injektion wurde in 6 Sprague-Dawley Ratten die Verteilung von [18F]MK-9470 (13-25 MBq) über einen Zeitraum von 90 min mit einem Focus 120 microPET Scanner gemessen. Während der PET-Messung wurden arterielle Blutproben zur Bestimmung der Inputfunktion entnommen. Zur Auswertung wurden 8 Hirnregionen be-stimmt und Zeit-Aktivitätskurven (TAC) berechnet. 4 verschiedene pharmakokinetische Modelle wurden verglichen: 1) 1-Gewebskompartiment-Modell (1T-2kVb), 2) 2-Gewebskompartiment-Modell (2T-4kVb) (Abb. 1), 3) Gewebskompartiment-Modell mit gekoppelten Parametern und individuell bestimmten K1 und k3 (SM1) und 4) 2-Gewebskompartiment-Modell mit gekoppelten Parametern und individuell bestimmten K1 und k4 (SM2). Die einzelnen Ratenkonstanten (K1, k2-kn) und das Distributionsvolumen VT wurden berechnet und die Modellanpassung mit dem Akaike Informationskriterium (AIC) bewertet.
Ergebnisse: [18F]MK-9470 verteilt sich im Rattenhirn wie bereits gezeigt [3]. 17/48 Fits des 1T-2kVb Modells zeigten systematisch Abweichungen zwischen Messdaten und Model. 10/48 Fits des 2T-4kVb Modells wurden verworfen, da der Algorithmus nicht konvergierte. Der Vergleich der zwei Modelle mittels AIC zeigte anhand der verbleibenden 38 TAC, dass in 36/38 Fällen das 2T-4kVb geeigneter war als das 1T-2kVb. Die Verwendung des SM1 Modells lieferte für alle 48 TAC stabile Parameter und zeigte eine bessere Anpassung als SM2. Der Pearson’sche Korrelationskoeffizient zwischen VT des Modells 2T-4kVb und VT von SM1 lag bei r = 0.78.
Zusammenfassung: Das pharmakokinetische Verhalten des CB1-Rezeptor-Liganden [18F]MK- 9470 wird am besten mit einem 2-Gewebskompartiment-Modell beschrieben. Um einzelne Ratenkonstanten und das Distributionsvolumen be-rechnen zu können, benötigt man häufig jedoch ein 2-Gewebskompartiment-Modell mit gekoppelten Parametern. Durch die vorliegende Studie wurde gezeigt, dass die Analyse von Liganden mit langsamer Kinetik zusätzliche Modellannahmen verlangt.
Abb.1: 2-Gewebskompartiment-Modell. Konzentration von Ligand Cp: in Plasma; Cf+ns: frei und nicht-spezifisch gebunden; Cb: spezi-fisch gebunden; K1, k2-kn: Ratenkonstanten.
46. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik (DGMP) e. V.
Literatur
[1] Casteels C, Bormans G, Van Laere K. The effect of anaesthesia on [18F]MK-9470 binding to the type 1 canna-binoid receptor in the rat brain. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2010;37(6):1164–73.
[2] Zamuner S, Rabiner EA, Fernandes SA, Bani M, Gunn RN, Gomeni R, Ratti E, Cunningham VJ. A pharmacoki-netic PET study of NK₁ receptor occupancy. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2012 Feb;39(2):226-35.
[3] Miederer I, Maus S, Zwiener I, Podoprygorina G, Meshcheryakov D, Lutz B, Schreckenberger M. Evaluation of cannabinoid type 1 receptor expression in the rat brain using [18F]MK-9470 microPET. Eur J Nucl Med Mol Imag-ing, 2013 Oct;40(11):1739-47.
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11 Nanopartikel für die medizinische Bildgebung
W. Parak1
1Philipps Universität Marburg, Fachbereich Physik, Marburg
Anorganische kolloidale Nanopartikel können mittlerweile mit großer Präzession aus verschiedenen Materialien gefertigt werden [1]. Abhängig vom Material können die Nanopartikel unterschiedliche Eigenschaften haben, die Kontrast für Bildgebung ermöglichen, wie z.B. Fluoreszenz oder Superparamagnetismus [2]. Auch eine Kombination verschiedener Bildgebungsmodalitäten ist möglich [3]. Bildgebung kann auch funktional erfolgen, d.h. das Signal hängt von lokalen Sti-muli ab [4]. Für einen klinischen Einsatz muss zunächst die Sicherheit der Nanopartikel geklärt werden. Dazu sind fun-damentale Studien über die Wechselwirkung der Nanopartikeln mit biologischen Medien [5] und Zellen in vitro [6, 7] als auch in vivo [8] der erste Schritt. Basierend auch solchen Untersuchungen lassen sich Rückschlüsse ziehen wie Nano-partikel weiter in Hinblick auf medizinische Anwendungen [9] optimiert werden sollen.
Literatur
[1] W. J. Parak, "Complex Colloidal Assembly", Science 334, 1359-1360 (2011).
[2] U. I. Tromsdorf, N. C. Bigall, M. Kaul, O. T. Bruns, M. S. Nikolic, B. Mollwitz, R. A. Sperling, R. Reimer, H.
Hohenberg, W. J. Parak, S. Förster, U. Beisiegel, G. Adam, H. Weller, "Size and Surface Effects on the MRI Relaxivity of Manganese Ferrite Nanoparticle Contrast Agents", NanoLetters 7, 2422-2427 (2007).
[3] Z. Ali, A. Z. Abbasi, F. Zhang, P. Arosio, A. Lascialfari, M. F. Casula, A. Wenk, W. Kreyling, R. Plapper, M. Seidel, R. Niessner, J. Knöll, A. Seubert, W. J. Parak, "Multifunctional nanoparticles for dual imaging", Analytical Chemis-try 83, 2877- 2882 (2011).
[4] P. Rivera Gil, C. Vazquez Vazquez, V. Giannini, M. P. Callao, W. J. Parak, M. A. Correa Duarte, R. A. Alvarez-Puebla, "Plasmonic Nanoprobes for Real-Time Optical Monitoring of Nitric Oxide inside Living Cells", Angewandte Chemie International Edition 52, 13694–13698 (2013).
[5] C. Röcker, M. Pötzl, F. Zhang, W. J. Parak, G. U. Nienhaus, "A quantitative fluorescence study of protein mono-layer formation on colloidal nanoparticles", Nature Nanotechnology 4, 577-580 (2009).
[6] M. Chanana, P. Rivera Gil, M. A. Correa-Duarte, L. M. Liz-Marzán. W. J. Parak, "Physicochemical Properties of Protein-Coated Gold Nanoparticles in Biological Fluids and Cells before and after Proteolytic Digestion", Angewandte Chemie International Edition 52, 4179–4183 (2013).
[7] D. Hühn, K. Kantner, C. Geidel, S. Brandholt, I. De Cock, S. J. Soenen, P. Rivera Gil, J. M. Montenegro Martos, K. Braeckmans, K. Müllen, G. U. Nienhaus, M. Klapper, W. J. Parak, "Polymer-coated nanoparticles interacting with proteins and cells: Focusing on the sign of the net charge", ACS Nano 7, 3253–3263 (2013).
[8] W. G. Kreyling, S. Hirn, W. Möller, C. Schleh, A. Wenk, G. Celik, J. Lipka, M. Schäffler, N. Haberl, B. D. Johnston, R. Sperling, G. Schmid, U. Simon, W. J. Parak, M. Semmler-Behnke, "Air-Blood Barrier Translocation of Tracheally Instilled Gold Nanoparticles Inversely Depends on Particle Size", ACS Nano 8, 222–233 (2014).
[9] J. Peteiro-Cartelle, M. Rodríguez-Pedreira, F. Zhang, P. Rivera Gil, L. L. del Mercato, W. J. Parak, "How colloidal nano- and microparticles could contribute to medicine - a personal perspective both from the eyes of physicians and materials scientists", Nanomedicine 4, 967-979 (2009).
46. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik (DGMP) e. V.
12 Optimising safety, production and application conditions of PASADENA PHIP of hydroxyethylacrylate in medical scanner environment for animal experiment
M. Terekhov2,1, M. Gorodezky1, M. Braun3, B. Piechalska3, K. Muennemann3, L. Schreiber2
1University Medical Center Mainz , Radiology, Mainz
2University Hospital Würzburg, Comprehensive Heart Failure Center, Würzburg
3Max-Plank Institute for Polymer Research, Department of Physical Chemistry of Polymers, Mainz
Introduction: To increase the MR-imaging sensitivity and contrast by creating magnetization higher (by factor up to 105) than a thermal polarization (TP) in static B0-field the series of methods called „hyperpolarization“(HP) are used. One of the actively developed HP-techniques is ParaHydrogen Induced Polarization (PHIP). PHIP relies on the transfer of spin order from parahydrogen (pH2) to nuclei in the targeted molecule during catalyzed chemical reaction. However, a neces-sity of using pressurized H2 creates major safety issues in a clinical scanner environment. In this study we tested the set-up developed in order to optimize the conditions for explosion safe and efficient preparation of the substances hyperpolar-ized by PASADENA-PHIP inside the standard clinical scanner with the further and administering in animal experiments.
Materials and methods: To provide safety conditions the whole set-up was placed inside a plastic cylindrical tube semi-closed from one side and positioned inside the bore (Figure 1). The open side of the tube lays 0.5m inside the explosive safety zone (level II). To neutralize the dangerous concentration of H2 the tube is permanently flushed with air at 15 l/min.
The whole scheme was approved by local explosions safety experts. The pH2 was delivered from aluminum bottles. For the PHIP-reaction the mixture 2-Hydorxyethylacrylate (HEA) with D2O and Rh(nor)(ppbs)BF4 catalyst was tested.. The tube with chemicals was heated in the water bath of 80°C-90°C and shot into the perfusion syringe (Pmax=23 bar) by pressurized pH2 (Fig 1a). Placing syringe inside the MRI-bore provide conditions for PASADENA-PHIP enhancement of corresponding protons (Fig 1b). All measurements were done using 3T Scanner (Prisma, Siemens, Germany). A continu-ously running single volume spectroscopy sequence provided continuous monitoring of a PHIP-signal.
Results: Figure 1b shows the exemplary spectra of chemical mixture inside after reaction is initiated. The peaks of PHIP-protons in HEP is marked on Fig 2b. The kinetic of PHIP-signal peaks integral intensity decay for samples with different ratio HEA and catalysts is shown on Fig 2c. Figure 1d shows the ratio of hyperpolarized and thermally polarized signals of HEP protons Ha and Hb. The total enhancement factor typically achieved in reaction was 2500. The kinetic plots (Fig 1c) show that decay time of the PHIP signal is obviously determined by both the reaction kinetic and relaxation rate. The characteristic decay time calculated by mono-exponential fitting of the curves was from 10 to 25 seconds for different samples.
Conclusion: The developed setup provides the explosion safety regime for preparation of the PASADENA-PHIP hy-perpolarized samples inside the standard clinical scanner. The obtained enhancement factor of 2500 is comparable with the one obtained in the experiments with multiple shaking of the reagents in glass tube [1]. The signal-time profile shows that the maximal PHIP-signal is obtained immediately after shot of the reagents into syringe. In the same time the kinetic of the reaction provide time period long enough for the preparation of the further measures necessary for the injection of the produced sample as a contrast media for animal studies. The optimization of the reagents concentration and admin-istration regime for obtaining necessary absolute contrast in MR-imaging experiments with the prepared PHIP-samples is in progress.