Analisi topologico-computazionale della perfusione di tessuti in tomografia computerizzata

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare l'applicazione di tecniche legate alla Teoria di Taglia a un problema di analisi di immagini biomediche. Il lavoro nasce dalla collaborazione del gruppo di Matematica della Visione dell'Università di Bologna, con il progetto PERFECT del Centro di Ricerca ARCES. La tesi si pone quindi come analisi preliminare di approccio alternativo ai metodi preesistenti. I metodi sono principalmente di Topologia Algebrica Applicata, ambito emergente e rilevante nel mondo della Matematica Computazionale. Il nucleo dell'elaborazione è costituito dall'analisi di forma dei dati per mezzo di Funzioni di Taglia. Questa nozione è stata introdotta nel 1999 da Patrizio Frosini e in seguito sviluppata principalmente dallo stesso, Massimo Ferri, Claudia Landi e altri collaboratori appartenuti al Gruppo di Ricerca di Matematica della Visione dell'Università di Bologna.

The low-energy β− and electron emitter 161Tb as an alternative to 177Lu for targeted radionuclide therapy

The low-energy β− emitter 161Tb is very similar to 177Lu with respect to half-life, beta energy and chemical properties. However, 161Tb also emits a significant amount of conversion and Auger electrons. Greater therapeutic effect can therefore be expected in comparison to 177Lu. It also emits low-energy photons that are useful for gamma camera imaging. The 160Gd(n,γ)161Gd→161Tb production route was used to produce 161Tb by neutron irradiation of massive 160Gd targets (up to 40 mg) in nuclear reactors. A semiautomated procedure based on cation exchange chromatography was developed and applied to isolate no carrier added (n.c.a.) 161Tb from the bulk of the 160Gd target and from its stable decay product 161Dy. 161Tb was used for radiolabeling DOTA-Tyr3-octreotate; the radiolabeling profile was compared to the commercially available n.c.a. 177Lu. A 161Tb Derenzo phantom was imaged using a small-animal single-photon emission computed tomography camera. Up to 15 GBq of 161Tb was produced by long-term irradiation of Gd targets. Using a cation exchange resin, we obtained 80%–90% of the available 161Tb with high specific activity, radionuclide and chemical purity and in quantities sufficient for therapeutic applications. The 161Tb obtained was of the quality required to prepare 161Tb–DOTA-Tyr3-octreotate. We were able to produce 161Tb in n.c.a. form by irradiating highly enriched 160Gd targets; it can be obtained in the quantity and quality required for the preparation of 161Tb-labeled therapeutic agents.

Novel 111In-labelled bombesin analogues for molecular imaging of prostate tumours

PURPOSE: It has been shown that some primary human tumours and their metastases, including prostate and breast tumours, overexpress gastrin-releasing peptide (GRP) receptors. Bombesin (BN) is a neuropeptide with a high affinity for these GRP receptors. We demonstrated successful scintigraphic visualisation of BN receptor-positive tumours in preclinical studies using the radiolabelled BN analogue [(111)In-DTPA-Pro(1),Tyr(4)]BN. However, the receptor affinity as well as the serum stability of this analogue leave room for improvement. Therefore new (111)In-labelled BN analogues were synthesised and evaluated in vitro and in vivo. METHODS AND RESULTS: The receptor affinity of the new BN analogues was tested on human GRP receptor-expressing prostate tumour xenografts and rat colon sections. Analogues with high receptor affinity (low nM range) were selected for further evaluation. Incubation in vitro of GRP receptor-expressing rat CA20948 and human PC3 tumour cells with the (111)In-labelled analogues resulted in rapid receptor-mediated uptake and internalisation. The BN analogue with the best receptor affinity and in vitro internalisation characteristics, Cmp 3 ([(111)In-DTPA-ACMpip(5),Tha(6),betaAla(11),Tha(13),Nle(14)]BN(5-14)), was tested in vivo in biodistribution studies using rats bearing GRP receptor-expressing CA20948 tumours, and nude mice bearing human PC3 xenografts. Injection of (111)In-labelled Cmp 3 in these animals showed high, receptor-mediated uptake in receptor-positive organs and tumours which could be visualised using planar gamma camera and microSPECT/CT imaging. CONCLUSION: With their enhanced receptor affinity and their rapid receptor-mediated internalisation in vitro and in vivo, the new BN analogues, and especially Cmp 3, are promising candidates for use in diagnostic molecular imaging and targeted radionuclide therapy of GRP receptor-expressing cancers.

[Pilot Project: Improved Lung Deposition via a New Nasal Inhalation Procedure].

INTRODUCTION Inhaled drugs can only be effective if they reach the middle and small airways. This study introduces a system that combines a trans-nasal application of aerosols with noninvasive pressure support ventilation. METHODS In a pilot study, 7 COPD patients with GOLD stages II and III inhaled a radiolabeled marker dissolved in water via a trans-nasal route. The mean aerosol particle size was 5.5 µm. Each patient took part in two inhalation sessions that included two application methods and were at least 70 hours apart. During the first session ("passive method"), the patient inhaled the aerosol through an open tube system. The second session ("active method") included pressure support ventilation during the inhalation process. A gamma camera and planar scintigraphy was used to determine the distribution of aerosol particles in the patient's body and lung. RESULTS The pressure supported inhalation ("active method") results in an increased aerosol lung deposition compared to the passive method. Above all, we could demonstrate deposition in the lung periphery with relatively large aerosol particles (5.5 µm). DISCUSSION The results prove that the combination of trans-nasal inhalation with noninvasive pressure support ventilation leads to significantly increased particle deposition in the lung.

In vivo tissue distribution of CD4 lymphocytes in mice determined by radioimmunoscintigraphy with an 111In-labeled anti-CD4 monoclonal antibody.

The tissue distribution of CD4 lymphocytes in normal C57/BL mice and CD4 knockout mice was determined by biodistribution measurements and gamma camera imaging with an 111In-labeled rat IgG2b monoclonal antibody directed against the murine CD-4 antigen. In normal mice high concentrations of antibody accumulated in the spleen and lymph nodes. At 45 hr after injection, the concentration of radiolabel in the spleen and lymph nodes of normal mice were 10- to 20-fold greater than in the corresponding tissue of the CD4 knockout mice and nonlymphoid tissues of both types of mice. At 24 and 45 hr, gamma camera images showed high concentrations of radiolabeled antibody in lymph node and spleen of normal but not knockout mice. These results indicate that radioimmunoscintigraphy with 111In-anti-CD4 is an excellent method for studying tissue distribution of CD lymphocytes in mice. Using an equivalent anti-human CD antibody, this method might be useful for studying the pathophysiology of conditions in which these cells play a critical role and for monitoring therapies for these disorders.

Innovazione nella Diagnostica per Immagini: l’integrazione PET/RMN

Nell'ambito della Diagnostica per Immagini, l'imaging ibrido sta assumendo un ruolo fondamentale in molte applicazioni cliniche, tra cui oncologia, neurologia e cardiologia. La possibilità di integrare informazioni complementari, funzionali e morfologiche, in un'unica immagine, permette di valutare con estrema accuratezza varie tipologie di malattie, diminuendo i tempi di acquisizione e i disagi per i pazienti. La risonanza magnetica, in sostituzione alla TAC nel sistema integrato PET/TC, introduce notevoli vantaggi quali l'acquisizione simultanea dei dati, l'ottimo contrasto dei tessuti molli, l'assenza di radiazioni ionizzanti e la correzione degli artefatti da movimento; ciò migliora l'accuratezza delle immagini e, di conseguenza, il processo diagnostico. Nonostante sia un interessante strumento di diagnostica e l'apice dello sviluppo tecnologico in imaging nucleare, vi sono alcune problematiche che ne impediscono la diffusa adozione, tra cui le interferenze reciproche tra le due modalità, i costi elevati e ancora una ridotta pubblicazione di articoli al riguardo.

Quantificação da resoluçao do sistema SPECT-CZT através do uso da função de transferência modulada (MTF)

Pós-graduação em Biologia Geral e Aplicada - IBB

New molecular targets for PET and SPECT imaging in neurodegenerative diseases

The pathophysiology of neurodegenerative diseases (ND) such as Alzheimer's disease (AD) and Parkinson's disease (PD) has not yet been completely elucidated. However, in the past few years, there have been great knowledge advances about intra-and extracellular proteins that may display impaired function or expression in AD, PD and other ND, such as amyloid beta (AB), alpha-synuclein, tau protein and neuroinfiammatory markers. Recent developments in the imaging techniques of positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT) now allow the non-invasive tracking of such molecular targets of known relevance to ND in vivo. This article summarizes recent findings of PET and SPECT studies using these novel methods, and discusses their potential role in the field of drug development for ND as well as future clinical applications in regard to differential diagnosis of ND and monitoring of disease progression.

Synthese und radioaktive Markierung potentieller PET- bzw. SPECT-Liganden zur Quantifizierung und Visualisierung der pankreatischen beta-Zell-Masse

Abstract Due to the ongoing efforts in transplanting b-cell mass there is also a great medical interest in specific b-cell imaging agents to quantify the acceptance of transplanted islets in humans in vivo. Additionally, in the context of type 1 diabetes mellitus the chronic and progressive loss of b-cells caused by autoimmune destruction has led to concerted efforts to prevent further loss of b-cells by autoantigen-specific immunotherapy of pre-diabetic patients. nateglinide and glibenclamide are SUR1 ligands used to stimulate insulin secretion in type 2 diabetic patients. They bind to a class of molecules known as the ATP-sensitive potassium channels, located on the insulin producing b-cells of the islets of Langerhans and are therefore excellent candidates as b-cell specific tracers. To obtain a precursor for a direct labelling of nateglinide with [18F]fluoride, the aromatic system of the phenylalanine structure element was derivatised to obtain a phenolic OH-group in 4-position which is capable of further derivatisation. The formed phenylether N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-hydroxyethyl)-D-tyrosin benzylester was tried to be tosylated according to several literature procedures but none of them was applicable. The catalytic influence of ytterbium(III)triflate in the reaction of toluenesulfonic acid anhydride and the alcohol was investigated. It was found that Yb(III) facilitates the tosylation of the alcohol under non-basic conditions and was extended to the tosylation of a great variety of different alcohols to prove its applicability in general. The radioactive labelling of N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-O-(2-[18F]fluoroethyl)-D-tyrosine with [18F]F-/ Kryptofix® 222/ K2CO3-system was achieved in radiochemical yields (RCY) of 10 % after deprotection with Pd/ C and H2. In addition to the direct labelling approach, a labelling procedure applying 2[18F]fluoroethyltosylate and N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-D-tyrosin was performed in 40 % RCY. Unfortunately the determination of the KD value of N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-fluoroethyl)-D-tyrosine revealed a significant decrease in affinity compared to original nateglinide. The in vivo evaluation of some 18F-labelled glibenclamide derivatives in humans and animals revealed that longer measuring times are warranted because a high liver uptake spoiles the data acquisition and the activity washout proceeds very slowly. Therefore glibenclamide was labelled with a radioisotope with a longer half life such as 99mTc (t1/2 = 6 h) to lengthen the possible time frame for image acquisition. The synthesis of a 99mTc labelled hydrophilic glibenclamide derivative was performed. It is hoped that gliben-clamide is internalised into the b-cell and there binds to the 95 % of intracellular SUR-1 receptors with eventual metablolisation and thus trapping in the cell. The KD-value of the corresponding Re-compound was determined to be 0.5 nM and the insulin secretion properties were similar to those of original glibenclamide. The labelling precursor N-{4-[N,N-bis-(carboxy-methyl)-aminoethyl)-5-chlorobenzene-carboxamido]-ethyl}-benzene-sulfonyl-N'-cyclohexyl urea tris sodium salt was reacted with [99mTc(I)(OH2)3(CO)3] Cl to yield the final N-{4-[99mTc(I)-tricarbonyl-N,N-bis-(carboxymethyl)-aminoethyl)-5-chloro-benzene-carboxamidoethyl]-benzene-sulfonyl}-N'-cyclo-hexyl-urea sodium salt in 70% RCY.

Fissione Nucleare

Scoprire come funziona la natura non è fine a se stesso. A volte ci vogliono anni, decenni o ancora di più per comprendere che una scoperta, che può risultare agli occhi dei più inutile, è in grado di cambiar la vita di molti. Può sembrare di aver buttato via soldi, tempo e intelletto. Ma la ricerca e lo studio pagano sempre. La qualità della vita è migliorata e migliorerà notevolmente grazie a chi si è impegnato e si impegna nella ricerca. Basti pensare alla corrente elettrica e al riscaldamento nelle nostre case; ai mezzi che ci permettono di spostarci sempre più velocemente in posti sempre più lontani; a modi di comunicare anch’essi più veloci e più fruibili. Anche la medicina ha fatto passi da gigante, spesso grazie alle applicazioni della fisica, soprattutto nel settore della fisica nucleare. Oggi sentiamo parlare di PET, di risonanza magnetica; tutti nella nostra vita abbiamo fatto una radiografa, ma pochi conoscono i principi che ci sono dietro queste tecniche mediche. In questa tesi sarà discusso in modo più accurato l’utilizzo della fissione nucleare e la sua storia.

Quadri di sintomi. Teoria della immagini, storia dell'arte e scienze umane in medicina

Lo studio analizza il modo in cui la storia dell’arte e la visual culture vengono utilizzate all’interno delle medical humanities, e cerca di suggerire un metodo più utile rispetto a quelli fin qui proposti. Lo scritto è organizzato in due parti. Nella prima parte sono analizzate alcune teorie e pratiche delle scienze umane in medicina. In particolare, ci concentriamo sulla medicina narrativa e sugli approcci con cui la storia dell’arte viene inclusa nella maggioranza dei programmi di medical humanities. Dopodiché, proponiamo di riconsiderare questi metodi e di implementare il ruolo di un pensiero storico e visivo all’interno di tali insegnamenti. Nella seconda parte, alla luce di quanto emerso nella prima, ci dedichiamo a uno studio di caso: la rappresentazione della melanconia amorosa, o mal d’amore, in una serie di dipinti olandesi del Secolo d’Oro. Colleghiamo queste opere a trattati medico-filosofici dell’epoca che permettano di inquadrare il mal d’amore in un contesto storico; in seguito, analizziamo alcune interpretazioni fornite da studiosi e storici dell’arte a noi contemporanei. In particolare, esaminiamo lo studio pionieristico di Henry Meige, pubblicato sulla “Nouvelle iconographie de la Salpêtrière” nel 1899, da cui emerge la possibilità di un confronto critico sia con le posizioni iconodiagnostiche di Charcot e Richer sia con quelle della prima psicoanalisi.

Nuove tecniche di diagnostica per immagini: La pet/ct

L'obiettivo di questo studio è quello di mettere in luce i diversi fattori che, negli ultimi anni, hanno portato ad un impiego sempre più diffuso della PET in ambito clinico, in Italia e all'estero. La recente integrazione delle informazioni funzionali della PET con le informazioni morfologiche di una TC, mediante tomografi ibridi PET/CT, ha radicalmente cambiato l’approccio alla stadiazione e al follow-up dei pazienti, rendendo questa tecnica una delle massime espressioni della moderna diagnostica per immagini, al giorno d'oggi utilizzata principalmente in campo oncologico. Nei primi capitoli, dopo un breve richiamo alla struttura della materia, ai concetti di radiazione e decadimento radioattivo, si analizzano le apparecchiature e i principi di funzionamento della tecnica PET/TC. Successivamente, nel capitolo 4 sono illustrati i diversi tipi di radiofarmaci e le loro applicazioni, con un’attenzione particolare al PSMA, impiegato principalmente nei tumori alla prostata, reni, tiroide e mammella. Proprio alla cura e alla diagnosi del tumore alla prostata è dedicato il capitolo 5, con un breve confronto tra l’ormai accreditata PET/CT con 18F-Colina e l’innovativa Ga-PSMA PET/CT. Nel capitolo 6 si prendono in considerazione le procedure e i protocolli da seguire durante un esame PET/TC, le misure di preparazione, prevenzione e le precauzioni che pazienti e personale sanitario devono osservare. Nel capitolo 7, infine, un breve cenno alle ultime innovazioni tecnologiche: imaging ibrido PET/MRI e fotomoltiplicatori SiPM. Le fonti bibliografiche citate constano principalmente di articoli in lingua inglese pubblicati sul portale PubMed. Parte della documentazione relativa alla progettazione dell'apparecchiatura PET/CT e al suo utilizzo è, invece, stata fornita da personale dell'arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia.

Ricostruzione di gradienti di ossigeno e glucosio da immagini PET per applicazioni nanobiotecnologiche.

La ricerca biomedica è arrivata attualmente a un bivio che vede contrapposte sperimentazione in vitro e in vivo. Per ovviare a questo problema è nata la sperimentazione su biochip che, attraverso l'impiego di apparecchiature dedicate, permette di ottenere misure su campioni che ripropongano le condizioni fisiologiche dei tessuti umani in vivo superando il problema della sperimentazione animale e quello delle misure in vitro, che non rispecchiano le condizioni reali delle cellule in esame. Il perfezionamento dell'apparecchio in questione richiede la comparazione delle condizioni create nel biochip con quelle riscontrate nei tessuti cellulari di pazienti umani. Il fine della comparazione è quello di riuscire ad eguagliare i due sistemi per poter sfruttare il dispositivo come un fantoccio su cui verificare gli effetti di farmaci in fase sperimentale e misurare grandezze con un grado di precisione molto più alto rispetto ai metodi messi in opera fino a ora. Questo lavoro di tesi propone uno studio preliminare sulla fattibilità di misure di concentrazioni di ossigeno e glucosio attraverso i radiofarmaci 64Cu-ATSM e 18F-FDG impiegati su pazienti sottoposti a PET-CT. Nello specifico, dopo aver illustrato i processi cellulari che coinvolgono il glucosio e l'ossigeno all'interno dei tessuti umani, si passa a descrivere le metodologie di misura impiegate, nell'ambito dell'imaging diagnostico, e le caratteristiche che motivano la scelta dei radiofarmaci utilizzati come mezzo di contrasto. Successivamente viene considerato un modello compartimentale a due tessuti per descrivere la cinetica dei radiofarmaci e per ottenere una stima delle concentrazioni da rapportare alle grandezze rilevate con la PET. Infine sono tracciati dei profili sulle slice dei volumi PET elaborati che diano dei valori di concentrazione delle molecole studiate.