Positron emission tomography in the diagnosis and staging of pancreatic and neuroendocrine tumors

Tutkimuksen tausta ja tavoitteet: Viimeaikaisesta perinteisten kuvantamismenetelmien kehityksestä huolimatta sekä haima- että neuroendokriinisten (NE) kasvaimien diagnostiikka on haastavaa. Uudentyyppinen kuvantamismenetelmä, fuusio positroniemissiotomografia-tietokonetomografia (PET/TT), on lupaava näiden kasvainten erotusdiagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Huolimatta alustavista lupaavista tutkimustuloksista, PET/TT:n rooli on toistaiseksi vielä epäselvä sekä haima- että NE-kasvaimissa eikä se näin ollen ole vakiintunut kliiniseen hoitokäytäntöön. Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää PET/TT -menetelmän käyttökelpoisuutta haima- ja NE-kasvaimien diagnostiikassa. Kahden ensimmäisen osatyön prospektiivisessa tutkimuksessa potilaat, joilla epäiltiin haimakasvainta, kuvannettiin PET/TT:llä käyttäen merkkiaineena fluorideoxyglukoosia (¹⁸F-FDG) kasvaimen aineenvaihdunnan arvioimiseksi ja kasvaimen verenvirtausta arviointiin käyttäen merkkiaineena radiovettä (¹⁵O-H₂O). Kolmen muun osatyön tavoitteena oli selvittää dihydroxyfenylalaniini (18F-DOPA) PET -menetelmää erilaisten NE-kasvaimien diagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Tulokset: Haimakasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa ¹⁸F-FDG-PET/TT:llä oli korkeampi diagnostinen tarkkuus verrattuna titokoneleike- (TT) ja magneettikuvantamiseen (MK) (89% vs. 76% ja 79%). Etenkin pahanlaatuiseksi epäillyn sappitiehytahtauman erotusdiagnostiikassa ¹⁸F-FDG-PET/TT:n positiivinen ennustearvo (92%) oli korkea. Haimasyövän levinneisyyden arvioinnissa ¹⁸F-FDG-PET/TT:n herkkyys oli huono (30%) paikallisen taudin osoittamisessa. Sen sijaan etäpesäkkeiden osoittamisessa ¹⁸F-FDG-PET/TT oli merkittävästi herkempi menetelmä verrattuna TT ja magneettikuvantamiseen (88% vs. 38%). Verrattaessa erilaisten haimakasvaimien ja normaalin haimakudoksen aineenvaihduntaa ja verenvirtausta, aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde oli merkittävästi korkeampi pahanlaatuisissa haimakasvaimissa (P<0.05). Lisäksi kasvaimen korkea aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde viittasi huonompaan taudin ennusteeseen. ¹⁸F-DOPA-PET löysi seitsemän kahdeksasta insulinoomasta ja oli positiivinen myös kahdella potilaalla, joilla todettiin haiman saarakesoluhyperplasia. Perustuen alustaviin tuloksiin, rutiinikäytössä oleva karbidopa esilääke ennen ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamista peitti insulinooma löydöksen kahdella potilaalla kolmesta. NE-kasvaiminen diagnostiikassa 82 potilaan aineisto osoitti ¹⁸F-DOPA PET kuvantamisen tarkkuudeksi 90%. Etenkin feokromosytoomien ensivaiheen diagnostiikassa ja NE-kasvaimen uusiutumaa epäiltäessä menetelmän tarkkuus oli korkea. Kokonaisuudessaan 59%:lla aineiston potilaista ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamisella oli vaikutusta kliinisiin hoitoratkaisuihin. Johtopäätökset: PET/TT käyttäen merkkiaineena ¹⁸F-FDG:tä ja radiovettä osoittautui käyttökelpoiseksi menetelmäksi haimakasvaimien erotusdiagnostiikassa. Lisäksi ¹⁸F-FDG-PET/TT oli hyödyllinen haimasyövän etäpesäkkeiden arvioinnissa. Tutkimus osoitti myös ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamisen olevan luotettava menetelmä insulinoomien ja muiden vatsan alueen NE-kasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa sekä levinneisyyden arvioinnissa, etenkin muiden kuvantamislöydösten ollessa ristiriitaisia. PET kuvantamisella oli merkittävä vaikutus potilaiden kliiniseen hoitokäytäntöön sekä haima- että NE-kasvaimissa.

Virus Infections in Early Childhood, Cow’s Milk Formula Exposure and Genetic Predisposition in the Development of Diabetes-Associated Autoimmunity

Varhaislapsuuden virusinfektioiden, lehmänmaitopohjaisen äidinmaitovastikeen ja geneettisen alttiuden merkitys diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin kehittymisessä Tyypin 1 diabetes on autoimmuunisairaus, joka syntyy haiman insuliinia tuottavien beta-solujen tuhouduttua elimistön oman immuunipuolustusjärjestelmän hyökkäyksen seurauksena. Sekä perimän että ympäristötekijöiden arvellaan vaikuttavan tautiprosessiin, mutta taudin tarkkaa syntymekanismia ei tunneta. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää varhaislapsuuden ympäristötekijöiden vaikutusta beta-soluautoimmuniteetin syntyyn, erityispaino tutkimuksessa oli ympäristötekijöiden yhteisvaikutuksessa sekä geneettisten riskitekijöiden ja ympäristötekijöiden vuorovaikutuksessa. Varhaislapsuudessa sairastettu sytomegalovirus- tai enterovirusinfektio ei lisännyt beta-soluautoimmuniteetin riskiä lapsilla, joilla on geneettisesti kohonnut riski sairastua tyypin 1 diabetekseen. Ennen puolen vuoden ikää sairastettu rotavirusinfektio lisäsi hieman tyypin 1 diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin riskiä. Tarkemmassa analyysissa varhaislapsuuden enterovirusinfektio osoittautui kuitenkin autovasta-aineiden muodostumisen riskitekijäksi niiden lasten joukossa, jotka olivat saaneet lehmänmaitopohjaista äidinmaidon vastiketta ensimmäisten elinkuukausien aikana. Tämä löydös viittaa enterovirusinfektion ja lehmänmaitopohjaisen vastikkeen yhteisvaikutukseen tyypin 1 diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin synnyssä. Löydösten mukaan PTPN22 geenin C1858T polymorfismi vaikuttaa CD4+ T solujen aktivaatioon ja proliferaatiovasteeseen, 1858T alleeliin liittyy alentunut T-soluresepto-rivälitteinen aktivaatio. 1858T alleelin kantajuuteen liittyy lisäksi lisääntynyt autovasta-aineiden ja kliinisen diabeteksen ilmaantuvuus. Tämä yhteys rajoittui yksilöihin, jotka olivat altistuneet lehmänmaitopohjaiselle vastikkeelle ennen kuuden kuukauden ikää. Tulosten mukaan sekä ympäristötekijöiden väliset yhteisvaikutukset että perimä vaikuttavat yksittäisen ympäristötekijän merkitykseen tyypin 1 diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin synnyssä. Nämä yhteisvaikutukset ympäristötekijöiden kesken ja perimän ja ympäristötekijöiden välillä selittävät aiemmin julkaistujen tulosten ristiriittaisuutta tutkimuksissa, joissa on analysoitu vain yhden ympäristötekijän vaikutusta diabeteksen ilmaantuvuuteen.

Islet antigen-specific T cells and regulatory T cells in type 1 diabetes

T cells are the key players in the development of type 1 diabetes (T1D), mediating autoimmune reactions leading to the destruction of insulin producing beta cells in the islets. We aimed to analyze the role of different T-cell subtypes in the autoimmunity and pathogenesis of T1D. The frequency of islet antigen-specific (GAD65-, proinsulin-, and insulin-specific) CD4+ T cells was investigated in vitro in T1D patients, at-risk individuals (diabetes-associated autoantibody positive), and in controls, using MHC class II tetramers. An overall higher frequency of CD4+ T-cells recognizing the GAD65 555−567 peptide was detected in at-risk individuals. In addition, increased CD4+ T-cell responses to the same GAD65 epitope displaying a memory phenotype were observed in at-risk and diabetic children, which demonstrate a previous encounter with the antigen in vivo. Avidity and phenotypic differences were also observed among CD4+ T-cell clones induced by distinct doses of GAD65 autoantigen. T-cell clones generated at the lowest peptide dose displayed the highest avidity and expressed more frequently the TCR Vβ5.1 chain than low-avidity T cells. These findings raise attention to the antigen dose when investigating the diversity of antigen-specific T cells. Furthermore, an increased regulatory response during the preclinical phase of T1D was also found in genetically at-risk children. Higher frequencies of regulatory T (Treg) cells (CD4+CD25_high HLA-DR-/CD69-) and natural killer T (NKT) cells (CD161+Vbeta11+) were observed in children with multiple autoantibodies compared to autoantibody-negative controls. Taken together, these data showed increased frequency of islet-specific CD4+ T-cells, especially to the GAD65 555-567 epitope, and Treg and NKT cell upregulation in children at-risk for T1D, suggesting their importance in T1D pathogenesis

The Influence of Diet and Microbes on Colonic Immune Regulation and their Implications on Type 1 Diabetes

Dietary and microbial factors are thought to contribute to the rapidly increasing prevalence of T1D in many countries worldwide. The impact of these factors on immune regulation and diabetes development in non-obese diabetic (NOD) mice are investigated in this thesis. Diabetes can be prevented in NOD mice through dietary manipulation. Diet affects the composition of intestinal microbiota, which may subsequently influence intestinal immune homeostasis. However, the specific effects of anti-diabetogenic diets on gut immunity and the explicit associations between intestinal immune disruption and type 1 diabetes onset remain unclear. The research presented herein demonstrates that newly weaned NOD mice suffer from a mild level of colitis, which shifts the colonic immune cell balance towards a proinflammatory status. Several aberrations can also be observed in the peritoneal B cells of NOD mice; an increase in activation marker expression, increased trafficking to the pancreatic lymph nodes and significantly higher antigen presenting cell (APC) efficiency towards insulin-specific T cells. A shift towards inflammation is likewise observed in the colon of germ-free NOD mice, but signs of peritoneal B cell activation are lacking in these mice. Remarkably, most of the abnormalities in the colon, peritoneal macrophages and the peritoneal B cell APC activity of NOD mice are abrogated when NOD mice are maintained on a diabetes-preventive, soy-based diet (ProSobee) from the time of weaning. Dietary and microbial factors hence have a significant impact on colonic immune regulation and peritoneal B cell activation and it is suggested that these factors influence diabetes development in NOD mice.

18F-Labeled Presynaptic Dopaminergic Tracers. Synthesis, Radiochemical Analyses, and Preclinical Evaluation of [18F]FDOPA and [18F]CFT

Dysfunction of the dopaminergic system in brain is involved in several pathological conditions such as Parkinson’s disease and depression. 2β-Carbomethoxy-3β-(4-[18F] fluorophenyl)tropane ([18F]CFT) and 6-[18F]fluoro-L-dopa ([18F]FDOPA) are tracers for imaging the dopaminergic function with positron emission tomography (PET). Peripheral uptake of [18F]FDOPA is also used in the localization and diagnosis of neuroendocrine tumors. [18F]FDOPA and [18F]CFT can be synthesized by electrophilic fluorodestannylation. However, the specific radioactivity (SA) in the electrophilic fluorination is low with traditional synthetic methods. In this study, [18F]FDOPA and [18F]CFT were synthesized using post-target-produced [18F]F2 as an electrophilic fluorination agent. With this method, tracers are produced with sufficient SA for neuroreceptor studies. Specific aims in this study were to replace Freon-11 in the production of [18F]FDOPA due to the ozone depleting properties of this solvent, to determine pharmacological specificity and selectivity of [18F]CFT with respect to monoamine transporters, and to compare the ability of these tracers to reflect the degree of nigral neuronal loss in rats in which the dopaminergic system in the brain had been unilaterally destroyed by 6- OHDA. Post-target-produced [18F]F2 was successfully used in the production of [18F]FDOPA and [18F]CFT. The SA achieved was substantially higher than in previous synthetic methods. Deuterated compounds, CD2Cl2, CDCl3 and C3D6O, were found to be suitable solvents for replacing Freon-11. Both [18F]FDOPA and [18F]CFT demonstrated nigrostriatal dopaminergic hypofunction and correlated with the number of nigral dopaminergic neurons in the 6-OHDA lesioned rat. However, the dopamine transporter (DAT) tracer [18F]CFT was more sensitive than the dopamine synthesis tracer [18F]FDOPA in detecting these defects because of the higher non-specific uptake of [18F]FDOPA. [18F]CFT can also be used for imaging the norepinephrine transporter (NET) because of the specific uptake into the locus coeruleus. The observation that [18F]CFT exhibits specific uptake in the pancreas warrants further studies in humans with respect to potential utility in pancreatic imaging

Imaging of Tumour Microenvironment for the Planning of Oncological Therapies Using Positron Emission Tomography

Tumour cells differ from normal tissue cells in several important ways. These differences, like for example changed energy metabolism, result in altered microenvironment of malignant tumours. Non-invasive imaging of tumour microenvironment has been at the centre of intense research recently due to the important role that this changed environement plays in the development of malignant tumours and due to the role it plays in the treatment of these tumours. In this respect, perhaps the most important characteristics of the tumour microenvironment from this point of view are the lack of oxygen or hypoxia and changes in blood flow (BF). The purpose of this thesis was to investigate the processes of energy metabolism, BF and oxygenation in head and neck cancer and pancreatic tumours and to explore the possibilities of improving the methods for their quantification using positron emission tomography (PET). To this end [18F]EF5, a new PET tracer for detection of tumour hypoxia was investigated. Favourable uptake properties of the tracer were observed. In addition, it was established that the uptake of this tracer does not correlate with the uptake of existing tracers for the imaging of energy metabolism and BF, so the information about the presence of tissue hypoxia cannot therefore be obtained using tracers such as [18F]FDG or [15O]H2O. These results were complemented by the results of the follow-up study in which it was shown that the uptake of [18F]EF5 in head and neck tumours prior to treatment is also associated with the overall survival of the patients, indicating that tumour hypoxia is a negative prognostic factor and might be associated with therapeutic resistance. The influences of energy metabolism and BF on the survival of patients with pancreatic cancer were investigated in the second study. The results indicate that the best predictor of survival of patients with pancreatic cancer is the relationship between energy metabolism and BF. These results suggest that the cells with high metabolic activity in a hypoperfused tissue have the most aggressive phenotype.