Future prospects for SPECT imaging using the radiolanthanide terbium-155 — production and preclinical evaluation in tumor-bearing mice

We assessed the suitability of the radiolanthanide 155 Tb (t1/2 = 5.32 days, Eγ = 87 keV (32%), 105 keV (25%)) in combination with variable tumor targeted biomolecules using preclinical SPECT imaging. Methods 155Tb was produced at ISOLDE (CERN, Geneva, Switzerland) by high-energy (~ 1.4 GeV) proton irradiation of a tantalum target followed by ionization and on-line mass separation. 155 Tb was separated from isobar and pseudo-isobar impurities by cation exchange chromatography. Four tumor targeting molecules – a somatostatin analog (DOTATATE), a minigastrin analog (MD), a folate derivative (cm09) and an anti-L1-CAM antibody (chCE7) – were radiolabeled with 155 Tb. Imaging studies were performed in nude mice bearing AR42J, cholecystokinin-2 receptor expressing A431, KB, IGROV-1 and SKOV-3ip tumor xenografts using a dedicated small-animal SPECT/CT scanner. Results The total yield of the two-step separation process of 155 Tb was 86%. 155 Tb was obtained in a physiological l-lactate solution suitable for direct labeling processes. The 155 Tb-labeled tumor targeted biomolecules were obtained at a reasonable specific activity and high purity (> 95%). 155 Tb gave high quality, high resolution tomographic images. SPECT/CT experiments allowed excellent visualization of AR42J and CCK-2 receptor-expressing A431 tumors xenografts in mice after injection of 155 Tb-DOTATATE and 155 Tb-MD, respectively. The relatively long physical half-life of 155 Tb matched in particular the biological half-lives of 155 Tb-cm09 and 155 Tb-DTPA-chCE7 allowing SPECT imaging of KB tumors, IGROV-1 and SKOV-3ip tumors even several days after administration. Conclusions The radiolanthanide 155 Tb may be of particular interest for low-dose SPECT prior to therapy with a therapeutic match such as the β--emitting radiolanthanides 177Lu, 161 Tb, 166Ho, and the pseudo-radiolanthanide 90Y.

APPLICATIONS OF EPHB4 RECEPTOR SPECIFIC PEPTIDES IN TARGETED CANCER IMAGING AND THERAPY

EphB4 receptors, a member of the largest family of receptor tyrosine kinases, are found over-expressed in a variety of tumors cells including glioma cells as well as angiogenic blood vessels. Noninvasive imaging of EphB4 could potentially increase early detection rates, monitor response to therapy directed against EphB4, and improve patient outcomes. Targeted delivery of EphB4 receptor specific peptide conjugated hollow gold nanoshells (HAuNS) into tumors has great potential in cancer imaging and photothermal therapy. In this study, we developed an EphB4 specific peptide named TNYL-RAW and labeled with radioisotope 64Cu and Cy5.5 dye. We also conjugate this specific peptide with hollow gold nanoshells (HAuNS) to evaluate targeted photothermal therapy of cancers. In vitro, 64Cu-DOTA-TNYL- RAW specifically bind to CT26 and PC-3M cells but not to A549 cells. In vivo, Small-animal PET/CT clearly showed the significant uptake of 64Cu-DOTA-TNYL-RAW in CT26 and PC-3M tumors but not in A549 tumors. Furthermore, µPET/CT and near-infrared optical imaging clearly showed the uptake of the dual labeled TNYL-RAW peptide in both U251 and U87 tumors in the brains of nude mice. In U251 tumors, Cy5.5-labeled peptide can bind to EphB4-expressing tumor blood vessels and tumors cells. But in U87 models, dual labeled peptide only could bind to tumor associated blood vessels. Also, Irradiation of PC-3M and CT-26 cell treated with TNYL-PEG-HAuNS nanopatilces with near-infrared (NIR) laser resulted in selective destruction of these cells in vitro. EphB4 targeted TNYL-PEG-HAuNS showed more photothermal killing effect on CT26 tumor model than PEG-HAuNS did. In summary, tumors with overexpression of EphB4 receptors can be noninvasively visualized by micro PET/CT with 64Cu labeled or dual labeled TNYL-RAW peptide. Targeted delivery of TNYL-RAW conjugated HAuNS into tumors can greatly improve the treatment effect of photothermal therapy. The information acquired with this study should be advantageous in improving diagnostics and future applications in photothermal ablation therapy in clinical.

Dissecting abdominal aortic aneurysm in Angiotensin II-infused mice: the importance of imaging

INTRODUCTION Since the initial publication in 2000, Angiotensin II-infused mice have become one of the most popular models to study abdominal aortic aneurysm in a pre-clinical setting. We recently used phase contrast X-ray based computed tomography to demonstrate that these animals develop an apparent luminal dilatation and an intramural hematoma, both related to mural ruptures in the tunica media in the vicinity of suprarenal side branches. AIMS The aim of this narrative review was to provide an extensive overview of small animal applicable techniques that have provided relevant insight into the pathogenesis and morphology of dissecting AAA in mice, and to relate findings from these techniques to each other and to our recent PCXTM-based results. Combining insights from recent and consolidated publications we aimed to enhance our understanding of dissecting AAA morphology and anatomy. RESULTS AND CONCLUSION We analyzed in vivo and ex vivo images of aortas obtained from macroscopic anatomy, histology, high-frequency ultrasound, contrast-enhanced micro-CT, micro-MRI and PCXTM. We demonstrate how in almost all publications the aorta has been subdivided into a part in which an intact lumen lies adjacent to a remodeled wall/hematoma, and a part in which elastic lamellae are ruptured and the lumen appears to be dilated. We show how the novel paradigm fits within the existing one, and how 3D images can explain and connect previously published 2D structures. We conclude that PCXTM-based findings are in line with previous results, and all evidence points towards the fact that dissecting AAAs in Angiotensin II-infused mice are actually caused by ruptures of the tunica media in the immediate vicinity of small side branches.

Thrombin-sensitive dual fluorescence imaging and therapeutic agent for detection and treatment of synovial inflammation in murine rheumatoid arthritis.

We have developed a thrombin-sensitive polymeric photosensitizer prodrug (T-PS) to selectively image and eradicate inflammatory lesions in rheumatoid arthritis (RA). Thrombin is a serine protease up-regulated in synovial tissues of rheumatoid arthritis (RA) patients. T-PS consists of a polymeric backbone, to which multiple photosensitizer (PS) units are tethered via short thrombin-cleavable peptide linkers. Fluorescence emission and phototoxicity of the prodrug are efficiently quenched due to the interaction of neighboring photosensitizer units. The prodrug is passively delivered to the inflammation site via the enhanced permeability and retention (EPR) effect. Subsequent site-selective proteolytic cleavage of the peptide linkers restores its photoactivity by increasing the mutual distance between PS. Whole animal imaging in murine collagen-induced arthritis, an experimental model of RA revealed a dose-dependent fluorescence increase in arthritic paws after systemic prodrug injection. In addition, administration of T-PS resulted in much higher fluorescence selectivity for arthritic joints as compared to the free PS. Irradiation of the arthritic joints induced light dose dependent phototoxic effects such as apoptosis, vascular damage and local hemorrhage. Long-term observations showed complete regression of the latter. Irradiated non-arthritic tissues or non-irradiated arthritic tissues showed no histological effects after photodynamic therapy with T-PS. This illustrates that T-PS can localize inflammatory lesions with excellent selectivity and induce apoptosis and vascular shut down after irradiation.

Fast Bias Field Correction for 9.4 Tesla Magnetic Resonance Imaging

In this paper the problem of intensity inhomogeneity athigh magnetic field on magnetic resonance images isaddressed. Specifically, rat brain images at 9.4Tacquired with a surface coil are bias corrected. Wepropose a low- pass frequency model that takes intoaccount not only background-object contours but alsoother important contours inside the image. Twopre-processing filters are proposed: first, to create avolume of interest without contours, and second, toextrapolate the image values of such masked area to thewhole image. Results are assessed quantitatively andvisually in comparison to standard low pass filterapproach, and they show as expected better accuracy inenhancing image intensity.

Contribuição do contraste negativo na artrografia tomográfica do joelho normal de cães

A ruptura do ligamento cruzado cranial é uma das causas mais comuns de claudicação do membro pélvico de cães. A radiografia e a ultrassonografia são métodos de diagnóstico frequentemente utilizados na rotina clínica de pequenos animais, porém a tomografia computadorizada é uma modalidade de imagem ainda pouco estudada para avaliar a articulação do joelho de cães. O presente trabalho teve por objetivo avaliar a contribuição do contraste negativo na artrografia tomográfica do joelho normal de cães, para visibilizar as estruturas intra-articulares e padronizar o uso desse contraste na articulação. Foram utilizados 24 membros pélvicos de cães de raças variadas, selecionados pela ausência de histórico de doença articular prévia do joelho e por apresentarem exames radiográficos, ultrassonográficos e macroscópicos normais. O experimento foi delineado em dois grupos, sendo o grupo I constituído de animais com peso até 20 kg e grupo II acima de 20 kg. Foram feitos cortes tomográficos com o membro flexionado e estendido. A quantidade média de ar empregada para a distensão da cápsula articular foi de 49 ml para o Grupo I e de 81 ml para o Grupo II. Utilizou-se um tubo de látex na porção distal à articulação do joelho para reduzir o escape de ar pelo tendão extensor digital profundo, que possui comunicação intra-articular. Foi possível visibilizar pela imagem tomográfica, em todas as articulações, as seguintes estruturas: ligamento cruzado cranial e caudal, meniscos medial e lateral, ligamento patelar, ligamentos colaterais e cápsula articular. Desta forma, o contraste negativo se mostrou uma alternativa eficaz para auxiliar a identificação das estruturas anatômicas do joelho na artrografia tomográfica.

Contribuição do contraste negativo na artrografia tomográfica do joelho normal de cães

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Tomografia por biosusceptometria de corrente alternada

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação ultrassonográfica hepática ao modo-B, dúplex e tríplex Doppler de cães com sobrepeso e obesos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Specific PET-ligands for selected 5-HT and GABA A-receptor subtypes = PET-Liganden mit Spezifität für definierte 5-HT und GABA A-Rezeptor-Subtypen

Für diese Arbeit wurden sechs neue Benzodiazepinderivate, TC07, TC08, TC09, TC10, TC11 und TC12, hergestellt. Diese wurden mittels Radioligandenbindungsassay sowohl auf ihre Bindungseigenschaften für Membranen des Cerebellum, des Hippo-campus und des Cortex der Ratte hin untersucht, als auch für Membranen von HEK293 Zellen, die transient rekombinante GABAA Rezeptoren exprimierten. Zusätz-lich wurden kompetitive in situ Rezeptorautoradiographien an Rattenhirnschnitten mit den Liganden [3H]Ro15-4513 und [3H]R015-1788 durchgeführt. Zusammen ergaben sich aus diesen Experimenten deutliche Hinweise auf eine Selektivität der Verbindun-gen TC07, TC11 und TC12 für a5-Untereinheiten enthaltende GABAA Rezeptoren mit a5-Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich. In vivo Bindungsexperimente in Ratten, mit [3H]Ro15-1788 als Tracer und TC07 als Kompetitor, ergaben, dass TC07 mehr [3H]Ro15-1788 im Vorderhirn als im Cerebellum verdrängt. Bezog man die regionale Verteilung der a5-Untereinheit des GABAA Rezep-tors im Rattenhirn mit ein – sehr wenige a5-Untereinheiten im Cerebellum, etwa 20 % der GABAA Rezeptor-Untereinheiten im Hippocampus – untermauerten diese Ergeb-nisse die Vermutung, TC07 könne a5-selektiv sein. Diese Daten bestätigten darü-berhinaus, dass TC07 die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Für elektrophysiologische Messungen mit TC07 und TC12 wurden die oben erwähnten transient transfizierten HEK293 Zellen verwendet, welche die GABAA Rezeptor Unte-reinheitenkombination a5b3g2 exprimierten. Das Dosis-Antwort Verhalten ergab keinen signifikanten Effekt für TC12. Die Daten von TC07 dagegen lassen auf einen schwach negativ modulatorischen Effekt schließen, was, zumindest theoretisch, die Möglichkeit eröffnet, TC07 auch als sogenannten cognitive enhancer einzusetzen. Der errechnete Ki-Wert lag in derselben Größenordnung wie der Ki-Wert, der anhand der Bindungsas-saydaten errechnet wurde. Insgesamt rechtfertigen die bisherigen Ergebnisse die radiochemische Markierung mit 18F von drei der sechs getesteten Verbindungen in der Reihenfolge TC07, TC12 und TC11. Des Weiteren wurde [18F]MHMZ, ein potentiell 5-HT2A selektiver Ligand und PET-Tracer einschließlich Vorläufer und Referenzverbindungen, mit hohen Ausbeuten syn-thetisiert (Herth, Debus et al. 2008). Autoradiographieexperimente mit Rattenhirn-schnitten zeigten hervorragende in situ Bindungseigenschaften der neuen Verbindung. Die Daten wiesen eine hohe Selektivität für 5-HT2A Rezeptoren in Verbindung mit einer niedrigen unspezifischen Bindung auf. [18F]MHMZ erfährt in vivo eine schnelle Metabo-lisierung, wobei ein polarer aktiver Metabolit entsteht, welcher vermutlich nicht die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Transversale, sagittale und coronale Kleintier-PET-Bilder des Rattenhirns zeigten eine hohe Anreicherung im frontalen Cortex und im Striatum, während im Cerebellum so gut wie keine Anreicherung festzustellen war. Diese Verteilung deckt sich mit der bekann-ten Verteilung der 5-HT2A Rezeptoren. Die in vivo Anreicherung scheint sich ebenfalls gut mit der Verteilung der in den Autoradiographieexperimenten gemessenen Bindung zu decken. Nach Berechnungen mit dem 4-Parameter Referenzgewebe Modell beträgt das Bindungspotential (BP) für den frontalen Cortex 1,45. Das Cortex zu Cerebellum Verhältnis wurde auf 2,7 nach 30 Minuten Messzeit bestimmt, was bemerkenswert nah an den von Lundkvist et al. für [11C]MDL 100907 publizierten Daten liegt. Abgesehen von der etwas niedrigeren Affinität waren die gemessenen in vitro, in situ und in vivo Daten denen von [3H]MDL 100907 und [11C]MDL 100907 sehr ähnlich, so dass wir ein [18F]Analogon in der Hand haben, das die bessere Selektivität von MDL 100907 verglichen mit Altanserin mit der längeren Halbwertszeit und den besse-ren Eigenschaften für die klinische Routine von 18F verglichen mit 11C verbindet. Die Ergebnisse von [18F]MHMZ rechtfertigenden weitere Experimente, um diesen Liganden für die klinische Routine am Menschen nutzbar zu machen.

Neue 18 F-markierte Liganden zur Visualisierung des GABA A, alpha 5-Rezeptorstatus mittels PET

Die heutige Verfügbarkeit der molekularen Bildgebung ermöglicht einen signifikanten Einfluss auf die Diagnostik und die Therapiekontrolle von neurodegenerativen Erkrankungen, die unter anderem durch Fehlsteuerungen im GABAergen System auftreten können. Die Visualisierung und Quantifizierung des GABAA-alpha5-Subtyps durch PET könnte dabei zu einem besseren Verständnis von Erkrankungen wie Alzheimer und traumatischen Neurosen (emotionales Langzeitgedächtnis) beitragen. Ferner eröffnen GABAA/alpha5-subtypselektive Liganden die Möglichkeit, wesentliche Grundlagen der elementaren Vorgänge von Lernen und Erinnern zu untersuchen. 7,8,9,10-Tetrahydro-(7,10-ethan)-1,2,4-triazol[3,4-alpha]phthalazine stellen sich als vielverspre-chende Leitstrukturen zur Entwicklung neuer 18F-markierter alpha5-subtypselektiver GABAA-Rezeptorliganden für die PET dar. Um diese neuartigen Substanzen hinsichtlich ihrer Potenz als GABAA-alpha5-subtypselektive Radioliganden zu verifizieren, wurden zunächst die entsprechenden 19F-Derivate TC07-TC12 synthetisiert. Diese Referenzverbindungen wurden in Rezeptor-bindungsassays und in Autoradiographien mit [3H]Ro 15-4513 als zu verdrängender Radioligand evaluiert. In beiden Experimenten als auch in in vivo-Verdrängungsexperimenten an Ratten konnte eine hohe Affinität im nanomolaren Bereich als auch eine hohe Selektivität bezüglich der GABAA/alpha5-Untereinheit für einige der dargestellten Referenzverbindungen nachgewiesen werden. Gemäß diesen vielversprechenden Ergebnissen wurden verschiedene Markie-rungsvorläufer für eine 18F-Direktmarkierung der relevantesten Substanz TC07 in einer mehrstufigen organischen Synthese dargestellt. Die anschließende 18F-Markierung erfolgte über eine nukleophile Substitution mit [18F]Fluorid. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionstemperatur und dauer, Markierungsvorläuferkonzentration, Basenabhängigkeit und verschiedenen Markierungsmethoden optimiert. Daraus resultierend konnte [18F]TC07 mit bis zu 45 % radiochemischer Ausbeute erhalten werden. Die zerfallskorrigierte, gesamtradiochemische Ausbeute von nca [18F]TC07 in isotonischer NaCl-Lösung betrug 15 %. Basierend auf den bisher erhaltenen Ergebnissen wurde der Radioligand in in vitro-, ex vivo- und in vivo µPET-Experimenten evaluiert. Die zunächst durchgeführten in vitro-Experimente deuteten auf eine homogene Verteilung der Aktivität hin und zeigten keine spezifische Anreicherung. Diese Ergebnisse wurden sowohl in ex vivo- als auch in in vivo-µPET-Studien bestätigt. Auch hier konnte nur eine niedrige Aktivitätsanreicherung, eine homogene Verteilung im gesamten Gehirn und keine Übereinstimmung mit der bekannten GABAA/alpha5-Subtypverteilung gefunden werden. Eine im Anschluss durchgeführte Metabolismusstudie zeigte eine langsame Metabolisierungsrate des [18F]TC07 und auch eine Organverteilungsstudie zeigte keine außergewöhnlichen Anreicherungen. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Radioligand [18F]TC07 kein geeigneter Tracer zur in vivo-Visualisierung der alpha5-Untereinheit des GABAA-Rezeptors ist.

Entwicklung und Anwendung eines Beatmungssystems zur Untersuchung der Lungenfeinstruktur mittels He-3-Magnetresonanztomographie

Im Rahmen meiner Dissertation wurde ein 3He-Applikationssystem für die in-vivo 3He-Magnetresonanztomographie der Lunge von Ratten entwickelt. Im Gegensatz zu anderen bisher entwickelten MR-kompatiblen Beatmungsgeräten wurde in diesem Applikationssystem erstmals der polarisationserhaltende ³He-Langzeitspeicher im Streufeld des Tomographen integriert. Bei der 3He-Applikation wird das 3He-Gas automatisch aus dem Langzeitspeicher außerhalb des Magneten zum Tier in den Tomographen geleitet. Die Kernspin-Polarisationsverluste, die beim 3He-Transfer zum Tier in den Tomographen auftreten, betragen etwa 1% (rel.) und sind vernachlässigbar gering. Das Beatmungssystem wurde zusammen mit der MRT-Bildgebungssequenz COMSPIRA an mehr als 200 Tieren erfolgreich getestet. Die MRT-Aufnahmen fanden hauptsächlich an einem 0,47 T Niederfeldtomographen bei der Firma Boehringer-Ingelheim Pharma in Biberach statt. Es wurden sowohl morphologische Aufnahmen der Rattenlunge gemacht als auch der „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC) gemessen. Die relative Streuung der ADC-Werte innerhalb einer Gruppe von Tieren ähnlichen Alters und Gewichts betrug dabei 5%. Bei Wiederholungsmessungen an ein und demselben Tier verringerte sich die relative Streuung auf 1%. Diese Werte unterstreichen die hohe Reproduzierbarkeit des Beatmungssystems sowie des gesamten Messverfahrens. Weiterhin wurde ein Verfahren vorgestellt, das den experimentell bestimmten ADC unabhängig von dem Mischungsverhältnis zwischen dem applizierten 3He und der Atemluft in der Lunge macht. Dies kann erreicht werden, indem das hp 3He mit dem chemisch inerten und ungiftigen Gas SF6 in einem definierten Verhältnis gemischt wird und anschließend dem Tier appliziert wird. Zuletzt wurde der ADC von emphysematischen Rattenlungen und von gesunden Rattenlungen gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen signifikant kleineren ADC innerhalb der Gruppe der erkrankten Tiere. Diese Dissertation wurde durch die Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG unterstützt.

A 20-channel receive-only mouse array coil for a 3 T clinical MRI system

A 20-channel phased-array coil for MRI of mice has been designed, constructed, and validated with bench measurements and high-resolution accelerated imaging. The technical challenges of designing a small, high density array have been overcome using individual small-diameter coil elements arranged on a cylinder in a hexagonal overlapping design with adjacent low impedance preamplifiers to further decouple the array elements. Signal-to-noise ratio (SNR) and noise amplification in accelerated imaging were simulated and quantitatively evaluated in phantoms and in vivo mouse images. Comparison between the 20-channel mouse array and a length-matched quadrature driven small animal birdcage coil showed an SNR increase at the periphery and in the center of the phantom of 3- and 1.3-fold, respectively. Comparison with a shorter but SNR-optimized birdcage coil (aspect ratio 1:1 and only half mouse coverage) showed an SNR gain of twofold at the edge of the phantom and similar SNR in the center. G-factor measurements indicate that the coil is well suited to acquire highly accelerated images.