90 Nb: potential radionuclide for application in immuno-PET : development of appropriate production strategy and first in vivo evaluation of 90 Nb-labeled monoclonal antibody

Die Nuklearmedizin ist ein modernes und effektives Werkzeug zur Erkennung und Behandlung von onkologischen Erkrankungen. Molekulare Bildgebung, die auf dem Einsatz von Radiopharmaka basiert, beinhaltet die Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) und Positronenemissions¬tomographie (PET) und ermöglicht die nicht-invasive Visualisierung von Tumoren auf nano-und picomolarer Ebene.rnDerzeit werden viele neue Tracer für die genauere Lokalisierung von kleinen Tumoren und Metastasen eingeführt und hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Die meisten von ihnen sind Protein-basierte Biomoleküle, die die Natur selbst als Antigene für die Tumorzellen produziert. Dabei spielen Antikörper und Antikörper-Fragmente eine wichtige Rolle in der Tumor-Diagnostik und Behandlung. Die PET-Bildgebung mit Antikörpern und Antikörperfragmenten bezeichnet man als immuno-PET. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, dass entsprechende Radiopharmaka benötigt werden, deren Halbwertszeit mit der Halbwertszeit der Biomoleküle korreliert ist.rnIn neueren Arbeiten wird 90Nb als potenzieller Kandidat für die Anwendung in der immuno-PET vorgeschlagen. Seine Halbwertszeit von 14,6 Stunden ist geeignet für die Anwendung mit Antikörperfragmenten und einige intakten Antikörpern. 90Nb hat eine relativ hohen Anteil an Positronenemission von 53% und eine optimale Energie für die β+-Emission von 0,35 MeV, die sowohl eine hohe Qualität der Bildgebung als auch eine niedrige Aktivitätsmenge des Radionuklids ermöglicht.rnErsten grundlegende Untersuchungen zeigten: i) dass 90Nb in ausreichender Menge und Reinheit durch Protonen-Bombardierung des natürlichen Zirkonium Targets produziert, ii) aus dem Targetmaterial in entsprechender radiochemischer Reinheit isoliert und iii) zur Markierung des monoklonalen Antikörpers (Rituximab) verwendet werden kann und iv) dieser 90Nb-markierte mAb eine hohe in vitro Stabilität besitzt. Desweiteren wurde eine alternative und schnelle Abtrennungsmethode entwickelt, die es erlaubt 90Nb, mit einer geeigneten radiochemischen und radionuklidischen Reinheit für eine anschließende Markierung von Biomolekülen in einer Stunde zu aufzureinigen. Schließlich wurden erstmals 90Nb-markierte Biomolekülen in vivo untersucht. Desweiteren wurden auch Experimente durchgeführt, um den optimalen bifunktionellen Chelatbildner (BFC) für 90Niob zu finden. Mehrere BFC wurden hinsichtlich Komplexbildung mit NbV untersucht. Desferrioxamin (Df) erwies sich als geeignetster Chelator für 90Nb. Der monoklonale Antikörper Bevacizumab (Avastin®) wurde mit 90Nb markiert und eine Biodistributionsstudie und eine PET-Untersuchung durchgeführt. Alle diese Ergebnisse zeigten, dass 90Nb ein vielversprechendes Radionuklid für die Immuno-PET ist, welches sogar für weitere kommerzielle Anwendungen in der klinischen Routine geeignet zu sein scheint.rn

Functional polymer based nanoparticles : development of defined complex structures as basis for in-vitro and in-vivo applications

In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Zugang zu einer Vielzahl von Polymerstrukturen auf Basis des klinisch zugelassenen Polymers Poly(N-(2-Hydroxypropyl)-methacrylamide) (PHPMA) entwickelt. Der synthetische Zugang beruht zum einen auf der Verwendung von Reaktivesterpolymeren und zum anderen auf der Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) Polymerisationsmethode. Diese Form einer kontrollierten radikalischen Polymerisation ermöglichte es, neben der Synthese von besser definierten Homopolymeren auch statistische und Blockcopolymere herzustellen. Die Reaktivesterpolymere können durch einfache Aminolyse in HPMA-basierte Systeme überführt werden. Somit können sie als eine vielversprechende Basis zur Synthese von umfangreichen Polymerbibliotheken angesehen werden. Die hergestellten Polymere kombinieren verschiedene Funktionalitäten bei konstantem Polymerisationsgrad. Dies ermöglicht eine Optimierung auf eine gezielte Anwendung hin ohne den Parameter der Kettenlänge zu verändern.rnIm weiteren war es durch Verwendung der RAFT Polymerisation möglich partiell bioabbaubare Blockcopolymere auf Basis von Polylactiden und HPMA herzustellen, in dem ein Kettentransferreagenz (CTA) an ein wohl definiertes Polylactid Homopolymer gekoppelt wurde. Diese Strukturen wurden in ihrer Zusammensetzung variiert und mit Erkennungsstrukturen (Folaten) und markierenden Elementen (Fluoreszenzfarbstoffe und +-emittierenden Radionukleide) versehen und im weiteren in vitro und in vivo evaluiert.rnAuf Grund dieser Errungenschaften war es möglich den Einfluss der Polymermikrostruktur auf das Aggregationsverhalten hin mittel Lichtstreuung und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass erst diese Informationen über die Überstrukturbildung die Kinetik der Zellaufnahme erklären können. Somit wurde die wichtige Rolle von Strukturwirkungsbeziehungen nachgewiesen.rnSomit konnte neben der Synthese, Charakterisierung und ersten biologischen Evaluierungen ein Beitrag zum besseres Verständnis zur Interaktion von polymeren Partikeln mit biologischen Systemen geleistet werden.

From defined polymer architectures to structure-property relationships in vivo

Makromolekulare Wirkstoffträgersysteme sind von starkem Interesse bezüglich der klinischen Anwendung chemotherapeutischer Agenzien. Um ihr klinisches Potential zu untersuchen ist es von besonderer Bedeutung das pharmakokinetische Profil in vivo zu bestimmen. Jede Veränderung der Polymerstruktur beeinflusst die Körperverteilung des entsprechenden Makromoleküls. Aufgrund dessen benötigt man detailliertes Wissen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im lebenden Organismus, um das Nanocarrier System für zukünftige Anwendungen einzustellen. In dieser Beziehung stellt das präklinische Screening mittels radioaktiver Markierung und Positronen-Emissions-Tomographie eine nützliche Methode für schnelle sowie quantitative Beobachtung von Wirkstoffträgerkandidaten dar. Insbesondere poly(HPMA) und PEG sind im Arbeitsgebiet Polymer-basierter Therapeutika stark verbreitet und von ihnen abgeleitete Strukturen könnten neue Generationen in diesem Forschungsbereich bieten.rnDie vorliegende Arbeit beschreibt die erfolgreiche Synthese verschiedener HPMA und PEG basierter Polymer-Architekturen – Homopolymere, Statistische und Block copolymere – die mittels RAFT und Reaktivesterchemie durchgeführt wurde. Des Weiteren wurden die genannten Polymere mit Fluor-18 und Iod-131 radioaktiv markiert und mit Hilfe von microPET und ex vivo Biodistributionsstudien in tumortragenden Ratten biologisch evaluiert. Die Variation in Polymer-Architektur und darauffolgende Analyse in vivo resultierte in wichtige Schlussfolgerungen. Das hydrophile / lipophile Gleichgewicht hatte einen bedeutenden Einfluss auf das pharmakokinetische Profil, mit besten in vivo Eigenschaften (geringe Aufnahme in Leber und Milz sowie verlängerte Blutzirkulationszeit) für statistische HPMA-LMA copolymere mit steigendem hydrophoben Anteil. Außerdem zeigten Langzeitstudien mit Iod-131 eine verstärkte Retention von hochmolekularen, HPMA basierten statistischen Copolymeren im Tumorgewebe. Diese Beobachtung bestätigte den bekannten EPR-Effekt. Hinzukommend stellen Überstrukturbildung und damit Polymergröße Schlüsselfaktoren für effizientes Tumor-Targeting dar, da Polymerstrukturen über 200 nm in Durchmesser schnell vom MPS erkannt und vom Blutkreislauf eliminiert werden. Aufgrund dessen wurden die hier synthetisierten HPMA Block copolymere mit PEG Seitengruppen chemisch modifiziert, um eine Verminderung in Größe sowie eine Reduktion in Blutausscheidung zu induzieren. Dieser Ansatz führte zu einer erhöhten Tumoranreicherung im Walker 256 Karzinom Modell. Generell wird die Körperverteilung von HPMA und PEG basierten Polymeren stark durch die Polymer-Architektur sowie das Molekulargewicht beeinflusst. Außerdem hängt ihre Effizienz hinsichtlich Tumorbehandlung deutlich von den individuellen Charakteristika des einzelnen Tumors ab. Aufgrund dieser Beobachtungen betont die hier vorgestellte Dissertation die Notwendigkeit einer detaillierten Polymer-Charakterisierung, kombiniert mit präklinischem Screening, um polymere Wirkstoffträgersysteme für individualisierte Patienten-Therapie in der Zukunft maßzuschneidern.rn

18 F-Click-Radiomarkierung polymerer Trägersysteme zur ex vivo- und in vivo-Evaluierung

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein leistungsstarkes, nicht-invasives, bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin und hat darüber hinaus zunehmende Bedeutung in der Arzneistoffentwicklung. Zur Verbesserung des therapeutischen Index von niedermolekularen Pharmaka werden vermehrt Wirkstofftransportsysteme eingesetzt. Eine Klasse dieser Wirkstofftransportsysteme sind Liposomen. Die Weiterentwicklung der klassischen Liposomen sind sogenannte „Stealth“-Liposomen, die eine Polyethylenglykol (PEG)-Korona zur Herabsetzung der Erkennung und Ausscheidung tragen. Zur (Weiter-)Entwicklung und deren in vivo-Evaluierung bietet die PET die Möglichkeit, die Auswirkungen von strukturellen Anpassungen auf die pharmakokinetischen Eigenschaften solcher Transportsysteme zu untersuchen. Zur Evaluierung neuartiger, cholesterolverankerter, linear-hyperverzweigter Polyglycerole (Ch-PEG-hbPG) als sterisch stabilisierende Polymere in Liposomen wurden diese im Rahmen dieser Arbeit mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 über kupferkatalysierte Alkin-Azid Cycloaddition (CuAAC) in sehr hohen Ausbeuten radiomarkiert. Zum systematischen Vergleich des in vivo-Verhaltens wurde ebenfalls ein cholesterolbasiertes lineares PEG (Ch-PEG) mit CuAAC nahezu quantitativ radiomarkiert. Als drittes Element wurde die Direktmarkierung von Cholesterol mit [18F]F- entwickelt. Diese drei Verbindungen wurden zuerst separat als Einzelkomponenten und anschließend, in Liposomen formuliert, in Tierstudien an Mäusen hinsichtlich ihrer initialen Pharmakokinetik und Biodistribution untersucht. Dabei zeigte sich ein ähnliches Verhalten der neuartigen Ch-PEG-hbPG-Derivate zu den bekannten Ch-PEG, mit dem Vorteil der Multifunktionalität an den hyperverzweigten Strukturen. Die liposomalen Strukturen mit der neuartigen sterischen Stabilisierung wiesen eine erhöhte Blutzirkulationszeit und vorteilhafte Blut-zu-Leber- und Blut-zu-Lunge-Verhältnisse im Vergleich zu den linear stabilisierten Analoga auf.rnEine weitere Klasse von Wirkstofftransportsystemen sind polymere Trägersysteme wie pHPMA. Alkinfunktionalisierte Polymere konnten in zwei verschiedenen Größen (~12 und 60 kDa) mittels CuAAC in sehr hohen Ausbeuten mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 radiomarkiert werden. Bicyclononinderivate der gleichen Größen konnten ohne Kupferkatalyse über ringspannungsvermittelte Alkin-Azid-Cycloaddition (SPAAC) mikrowellengestützt markiert werden und stehen somit zur in vivo-Untersuchung hinsichtlich des Einflusses der Markierungsart zur Verfügung.

MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

In vitro and in vivo characterization of novel 18F-labeled bombesin analogues for targeting GRPR-positive tumors

The gastrin-releasing peptide receptor (GRPR) is overexpressed on a number of human tumors and has been targeted with radiolabeled bombesin analogues for the diagnosis and therapy of these cancers. Seven bombesin analogues containing various linkers and peptide sequences were designed, synthesized, radiolabeled with (18)F, and characterized in vitro and in vivo as potential PET imaging agents. Binding studies displayed nanomolar binding affinities toward human GRPR for all synthesized bombesin analogues. Two high-affinity peptide candidates 6b (K(i) = 0.7 nM) and 7b (K(i) = 0.1 nM) were chosen for further in vivo evaluation. Both tracers revealed specific uptake in GRPR-expressing PC-3 tumors and the pancreas. Compared to [(18)F]6b, compound [(18)F]7b was characterized by superior tumor uptake, higher specificity of tracer uptake, and more favorable tumor-to-nontarget ratios. In vivo PET imaging allowed for the visualization of PC-3 tumor in nude mice suggesting that [(18)F]7b is a promising PET tracer candidate for the diagnosis of GRPR-positive tumors in humans.

Metabolic pathway and distribution of superparamagnetic iron oxide nanoparticles: in vivo study

Experimental tissue fusion benefits from the selective heating of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) under high frequency irradiation. However, the metabolic pathways of SPIONs for tissue fusion remain unknown. Hence, the goal of this in vivo study was to analyze the distribution of SPIONs in different organs by means of magnetic resonance imaging (MRI) and histological analysis after a SPION-containing patch implantation.

68Ga-DOTATOC versus 68Ga-DOTATATE PET/CT in functional imaging of neuroendocrine tumors

Radiolabeled somatostatin analogs represent valuable tools for both in vivo diagnosis and therapy of neuroendocrine tumors (NETs) because of the frequent tumoral overexpression of somatostatin receptors (sst). The 2 compounds most often used in functional imaging with PET are (68)Ga-DOTATATE and (68)Ga-DOTATOC. Both ligands share a quite similar sst binding profile. However, the in vitro affinity of (68)Ga-DOTATATE in binding the sst subtype 2 (sst2) is approximately 10-fold higher than that of (68)Ga-DOTATOC. This difference may affect their efficiency in the detection of NET lesions because it is the sst2 that is predominantly overexpressed in NET. We thus compared the diagnostic value of PET/CT with both radiolabeled somatostatin analogs ((68)Ga-DOTATATE and (68)Ga-DOTATOC) in the same NET patients.

In vivo analysis of uropod function during physiological T cell trafficking

Migrating lymphocytes acquire a polarized phenotype with a leading and a trailing edge, or uropod. Although in vitro experiments in cell lines or activated primary cell cultures have established that Rho-p160 coiled-coil kinase (ROCK)-myosin II-mediated uropod contractility is required for integrin de-adhesion on two-dimensional surfaces and nuclear propulsion through narrow pores in three-dimensional matrices, less is known about the role of these two events during the recirculation of primary, nonactivated lymphocytes. Using pharmacological antagonists of ROCK and myosin II, we report that inhibition of uropod contractility blocked integrin-independent mouse T cell migration through narrow, but not large, pores in vitro. T cell crawling on chemokine-coated endothelial cells under shear was severely impaired by ROCK inhibition, whereas transendothelial migration was only reduced through endothelial cells with high, but not low, barrier properties. Using three-dimensional thick-tissue imaging and dynamic two-photon microscopy of T cell motility in lymphoid tissue, we demonstrated a significant role for uropod contractility in intraluminal crawling and transendothelial migration through lymph node, but not bone marrow, endothelial cells. Finally, we demonstrated that ICAM-1, but not anatomical constraints or integrin-independent interactions, reduced parenchymal motility of inhibitor-treated T cells within the dense lymphoid microenvironment, thus assigning context-dependent roles for uropod contraction during lymphocyte recirculation.

Somatostatin receptor subtype 2A immunohistochemistry using a new monoclonal antibody selects tumors suitable for in vivo somatostatin receptor targeting

High overexpression of somatostatin receptors in neuroendocrine tumors allows imaging and radiotherapy with radiolabeled somatostatin analogues. To ascertain whether a tumor is suitable for in vivo somatostatin receptor targeting, its somatostatin receptor expression has to be determined. There are specific indications for use of immunohistochemistry for the somatostatin receptor subtype 2A, but this has up to now been limited by the lack of an adequate reliable antibody. The aim of this study was to correlate immunohistochemistry using the new monoclonal anti-somatostatin receptor subtype 2A antibody UMB-1 with the gold standard in vitro method quantifying somatostatin receptor levels in tumor tissues. A UMB-1 immunohistochemistry protocol was developed, and tumoral UMB-1 staining levels were compared with somatostatin receptor binding site levels quantified with in vitro I-[Tyr]-octreotide autoradiography in 89 tumors. This allowed defining an immunohistochemical staining threshold permitting to distinguish tumors with somatostatin receptor levels high enough for clinical applications from those with low receptor expression. The presence of >10% positive tumor cells correctly predicted high receptor levels in 95% of cases. In contrast, absence of UMB-1 staining truly reflected low or undetectable somatostatin receptor expression in 96% of tumors. If 1% to 10% of tumor cells were stained, a weak staining intensity was suggestive of low somatostatin receptor levels. This study allows for the first time a reliable recommendation for eligibility of an individual patient for in vivo somatostatin receptor targeting based on somatostatin receptor immunohistochemistry. Under optimal methodological conditions, UMB-1 immunohistochemistry may be equivalent to in vitro receptor autoradiography.

HIV-1 Nef interferes with T-lymphocyte circulation through confined environments in vivo

HIV-1 negative factor (Nef) elevates virus replication and contributes to immune evasion in vivo. As one of its established in vitro activities, Nef interferes with T-lymphocyte chemotaxis by reducing host cell actin dynamics. To explore Nef's influence on in vivo recirculation of T lymphocytes, we assessed lymph-node homing of Nef-expressing primary murine lymphocytes and found a drastic impairment in homing to peripheral lymph nodes. Intravital imaging and 3D immunofluorescence reconstruction of lymph nodes revealed that Nef potently impaired T-lymphocyte extravasation through high endothelial venules and reduced subsequent parenchymal motility. Ex vivo analyses of transendothelial migration revealed that Nef disrupted T-lymphocyte polarization and interfered with diapedesis and migration in the narrow subendothelial space. Consistently, Nef specifically affected T-lymphocyte motility modes used in dense environments that pose high physical barriers to migration. Mechanistically, inhibition of lymph node homing, subendothelial migration and cell polarization, but not diapedesis, depended on Nef's ability to inhibit host cell actin remodeling. Nef-mediated interference with in vivo recirculation of T lymphocytes may compromise T-cell help and thus represents an important mechanism for its function as a HIV pathogenicity factor.

In vivo electroporation and ubiquitin promoter--a protocol for sustained gene expression in the lung

BACKGROUND: Gene therapy applications require safe and efficient methods for gene transfer. Present methods are restricted by low efficiency and short duration of transgene expression. In vivo electroporation, a physical method of gene transfer, has evolved as an efficient method in recent years. We present a protocol involving electroporation combined with a long-acting promoter system for gene transfer to the lung. METHODS: The study was designed to evaluate electroporation-mediated gene transfer to the lung and to analyze a promoter system that allows prolonged transgene expression. A volume of 250 microl of purified plasmid DNA suspended in water was instilled into the left lung of anesthetized rats, followed by left thoracotomy and electroporation of the exposed left lung. Plasmids pCiKlux and pUblux expressing luciferase under the control of the cytomegalovirus immediate-early promoter/enhancer (CMV-IEPE) or human polyubiquitin c (Ubc) promoter were used. Electroporation conditions were optimized with four pulses (200 V/cm, 20 ms at 1 Hz) using flat plate electrodes. The animals were sacrificed at different time points up to day 40, after gene transfer. Gene expression was detected and quantified by bioluminescent reporter imaging (BLI) and relative light units per milligram of protein (RLU/mg) was measured by luminometer for p.Pyralis luciferase and immunohistochemistry, using an anti-luciferase antibody. RESULTS: Gene expression with the CMV-IEPE promoter was highest 24 h after gene transfer (2932+/-249.4 relative light units (RLU)/mg of total lung protein) and returned to baseline by day 3 (382+/-318 RLU/mg of total lung protein); at day 5 no expression was detected, whereas gene expression under the Ubc promoter was detected up to day 40 (1989+/-710 RLU/mg of total lung protein) with a peak at day 20 (2821+/-2092 RLU/mg of total lung protein). Arterial blood gas (PaO2), histological assessment and cytokine measurements showed no significant toxicity neither at day 1 nor at day 40. CONCLUSIONS: These results provide evidence that in vivo electroporation is a safe and effective tool for non-viral gene delivery to the lungs. If this method is used in combination with a long-acting promoter system, sustained transgene expression can be achieved.

A CASE STUDY IN PHARMACOLOGIC IMAGING USING PRINCIPAL CURVES IN SINGLE PHOTON EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY

In this manuscript we are concerned with functional imaging of the colon to assess the kinetics of a microbicide lubricant. The overarching goal is to understand the distribution of the lubricant in the colon. Such information is crucial for understanding the potential impact of the microbicide on HIV viral transmission. The experiment was conducted by imaging a radiolabeled lubricant distributed in the subject’s colon. The tracer imaging was conducted via single photon emission computed tomography (SPECT), a non-invasive, in-vivo functional imaging technique. We develop a novel principal curve algorithm to construct a three dimensional curve through the colon images. The developed algorithm is tested and debugged on several difficult two dimensional images of familiar curves where the original principal curve algorithm does not apply. The final curve fit to the colon data is compared with experimental sigmoidoscope collection.

Little strokes fill big oaks: a simple in vivo stain of brain cells

High-resolution functional imaging of neural activity in vivo relies on appropriate labeling methods. In this issue of Neuron, Nagayama et al. introduce a simple procedure for staining subsets of neurons with organic calcium indicator dyes via local electroporation. Neuronal populations are sparsely labeled, preserving the ability to resolve calcium signals in dendrites and synaptic structures.

In vivo biochemical 7.0 Tesla magnetic resonance: preliminary results of dGEMRIC, zonal T2, and T2* mapping of articular cartilage

INTRODUCTION: Ultra-high-field whole-body systems (7.0 T) have a high potential for future human in vivo magnetic resonance imaging (MRI). In musculoskeletal MRI, biochemical imaging of articular cartilage may benefit, in particular. Delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC) and T2 mapping have shown potential at 3.0 T. Although dGEMRIC, allows the determination of the glycosaminoglycan content of articular cartilage, T2 mapping is a promising tool for the evaluation of water and collagen content. In addition, the evaluation of zonal variation, based on tissue anisotropy, provides an indicator of the nature of cartilage ie, hyaline or hyaline-like articular cartilage.Thus, the aim of our study was to show the feasibility of in vivo dGEMRIC, and T2 and T2* relaxation measurements, at 7.0 T MRI; and to evaluate the potential of T2 and T2* measurements in an initial patient study after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation (MACT) in the knee. MATERIALS AND METHODS: MRI was performed on a whole-body 7.0 T MR scanner using a dedicated circular polarization knee coil. The protocol consisted of an inversion recovery sequence for dGEMRIC, a multiecho spin-echo sequence for standard T2 mapping, a gradient-echo sequence for T2* mapping and a morphologic PD SPACE sequence. Twelve healthy volunteers (mean age, 26.7 +/- 3.4 years) and 4 patients (mean age, 38.0 +/- 14.0 years) were enrolled 29.5 +/- 15.1 months after MACT. For dGEMRIC, 5 healthy volunteers (mean age, 32.4 +/- 11.2 years) were included. T1 maps were calculated using a nonlinear, 2-parameter, least squares fit analysis. Using a region-of-interest analysis, mean cartilage relaxation rate was determined as T1 (0) for precontrast measurements and T1 (Gd) for postcontrast gadopentate dimeglumine [Gd-DTPA(2-)] measurements. T2 and T2* maps were obtained using a pixelwise, monoexponential, non-negative least squares fit analysis; region-of-interest analysis was carried out for deep and superficial cartilage aspects. Statistical evaluation was performed by analyses of variance. RESULTS: Mean T1 (dGEMRIC) values for healthy volunteers showed slightly different results for femoral [T1 (0): 1259 +/- 277 ms; T1 (Gd): 683 +/- 141 ms] compared with tibial cartilage [T1 (0): 1093 +/- 281 ms; T1 (Gd): 769 +/- 150 ms]. Global mean T2 relaxation for healthy volunteers showed comparable results for femoral (T2: 56.3 +/- 15.2 ms; T2*: 19.7 +/- 6.4 ms) and patellar (T2: 54.6 +/- 13.0 ms; T2*: 19.6 +/- 5.2 ms) cartilage, but lower values for tibial cartilage (T2: 43.6 +/- 8.5 ms; T2*: 16.6 +/- 5.6 ms). All healthy cartilage sites showed a significant increase from deep to superficial cartilage (P < 0.001). Within healthy cartilage sites in MACT patients, adequate values could be found for T2 (56.6 +/- 13.2 ms) and T2* (18.6 +/- 5.3 ms), which also showed a significant stratification. Within cartilage repair tissue, global mean values showed no difference, with 55.9 +/- 4.9 ms for T2 and 16.2 +/- 6.3 ms for T2*. However, zonal assessment showed only a slight and not significant increase from deep to superficial cartilage (T2: P = 0.174; T2*: P = 0.150). CONCLUSION: In vivo T1 dGEMRIC assessment in healthy cartilage, and T2 and T2* mapping in healthy and reparative articular cartilage, seems to be possible at 7.0 T MRI. For T2 and T2*, zonal variation of articular cartilage could also be evaluated at 7.0 T. This zonal assessment of deep and superficial cartilage aspects shows promising results for the differentiation of healthy and affected articular cartilage. In future studies, optimized protocol selection, and sophisticated coil technology, together with increased signal at ultra-high-field MRI, may lead to advanced biochemical cartilage imaging.