TY - THES A1 - Li, Xiang T1 - Molecular imaging of inflammation in atherosclerosis: Preclinical study in Apolipoprotein E-Deficient mice and preliminary evaluation in human using positron emission tomography T1 - Molekulare Bildgebung inflammatorischer Prozesse bei Atherosklerose: Präklinische Studie in Apolipoprotein-E Knockout-Mäusen sowie erste Evaluation humaner PET-Studien N2 - Motivation and Aim: Cardiovascular disease has been the leading cause of mortality and morbidity throughout the world. In developed countries, cardiovascular diseases are already responsible for a majority of deaths and will become the pre-eminent health problem worldwide (1,2). Rupture of atherosclerotic plaque accounts for approximately 70% of fatal acute myocardial infarction and sudden heart deaths. Conventional criterias for the diagnosis of “vulnerable plaques” are calcified nodules, yellow appearance of plaque, a thin cap, a large lipid core, severe luminal stenosis, intraplaque hemorrhage, inflammation, thrombogenicity, and plaque injury (3-5). Noninvasive diagnosis of vulnerable plaque still remains a great challenge and a huge research prospect, which triggered us to investigate the feasibility of PET imaging on the evaluation of atherosclerosis. Nuclear imaging of atherosclerosis， especially co-registered imaging modalities, could provide a promising diagnostic tool including both anatomy and activities to identify vulnerable atherosclerotic plaque or early detection of inflammatory endothelium at risk. Furthermore, the development of specific imaging tracers for clinical applications is also a challenging task. The aim of this work was to assess the potential of novel PET imaging probes associated with intra-plaque inflammation on animal models and in human respectively. Methods In this work, several molecular imaging modalities were employed for evaluation of atherosclerosis. They included Positron emission tomography / Computed tomography (PET/CT) for human studies, and micro-PET, autoradiography and high-resolution magnetic resonance imaging (MRI) for animal studies. Radiotracers for PET imaging included the glucose analogue 18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG), the somatostatin receptor avide tracer 68Ga-DOTATATE, and the Gallium-68 labeled fucoidan (68Ga-Fucoidan), which was developed as a PET tracer to detect endothelial P-selectin, which overexpressed at early stage of atherosclerosis and endothelial overlying activated plaque. Tracer’s capabilities were firstly assessed on cellular level in vitro. Subsequently, Animal studies were conducted in two animal models: 1, Apolipoprotein E (ApoE-/-) mice having severe atherosclerotic plaque; 2, Lipopolysaccharide (LPS) -induced mice for receiving acute vascular inflammation. Corresponding analyses on protein and histological level were conducted as well to confirm our results. In human study, 16 patients with neuroendocrine tumors (NETs) were investigated on imaging vascular inflammation. These patients had undergone both 68Ga-DOTATATE PET/CT and 18F-FDG PET/CT for staging or restaging within 6 weeks. 16 patients were randomized into two groups: high-risk group and low-risk group. Uptake ratio of both tracers from two groups were compared and correlated with common cardiovascular risk factors. Results and Conclusion In murine study, the expression of somatostatin receptor 2, which is the main bio-target of 68Ga-DOTATATE on macrophage/monocyte was confirmed by flow cytometry and immunohistochemistry. Prospectively, high specific accumulation of 68Ga-DOTATATE to the macrophage within the plaques was observed in aorta lesions by autoradiography and by micro-PET. In study with 68Ga-fucoidan, a strong expression of P-selectin on active endothelium overlying on inflamed plaque but weaker on inactive plaques was confirmed. Specific focal uptake of 68Ga-fucoidan were detected at aorta segments by micro-PET, and correlated with high-resolution magnetic resonance imaging (MRI), which was used to characterize the morphology of plaques. 68Ga-fucoidan also showed a greater affinity to active inflamed plaque in comparison of inactive fibrous plaque, which was assessed by autoradiography. Specificity of 68Ga-DOTATATE and 68Ga-fucoidan were confirmed by ex-vivo blocking autoradiography and in vivo blocking PET imaging respectively. In human study, focal uptake of both 18F-FDG and 68Ga-DOTATATE was detected. Analyzing concordance of two tracers’ uptake ratio, Out of the 37 sites with highest focal 68Ga-DOTATATE uptake, 16 (43.2%) also had focal 18F-FDG uptake. Of 39 sites with highest 18F-FDG uptake, only 11 (28.2%) had a colocalized 68Ga-DOTATATE accumulation. Correlated tracers’ uptake and calcium burden and risk factors, Mean target-to-background ratio (TBR) of 68Ga-DOTATATE correlated significantly with the presence of calcified plaques (r=0.52), hypertension (r=0.60), age (r=0.56) and uptake of 18F-FDG (r=0.64). TBRmean of 18F-FDG correlated significantly only with hypertension (r=0.58; p<0.05). Additionally, TBRmean of 68Ga-DOTATATE is significant higher in the high risk group while TBRmean of 18F-FDG is not. In conclusion, we evaluated vascular inflammation of atherosclerosis non-invasively using the two PET tracers: 68Ga-DOTATATE and 68Ga-Fucoidan. 68Ga-DOTATATE show specific affinity to infiltrated macrophage within the plaques. 68Ga-Fucoidan may hold the potential to discriminate between active and inactive atherosclerotic plaques in terms of variant accumulation on different-types of plaques. PET as leading molecular imaging technique provides superiority in assessing cellular activity, which is pivotal for understanding internal activity of atherosclerotic plaques. Since diagnosis of atherosclerosis is a complex and multi-dimensional task. More integrated imaging technology such as PET/MRI, faster imaging algorithm, more efficient radiotracer are required for further development of atherosclerosis imaging, N2 - Ziel: Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen die häufigste Todesursache der westlichen Industrieländer dar und führen zu einem zunehmenden Gesundheitsproblem weltweit. (1,2). Ca. 70 % aller akuten Myocardinfarkte sind auf die Ruptur atherosklerotischer Plaques zurück zuführen, deren typische Charakteristika ein kalzifizierter, lipidhaltiger Kern, überzogen von einer dünnen fibrösen Kappe, darstellt. Innerhalb der atherosklerotischer Plaques kommt es zu Makrophageneinlagerung und im weiteren Verlauf zu entzündlichen und angiogentischen Prozesse, die zu Einblutungen führen und die Instabilität der Plaques zur Folge hat (3-5). Die nichtinvasive Diagnostik rupturgefährdeter Plaques stellt immer noch eine große medizinische Herausforderung dar. Die nuklearmedizinische Bildgebung, kombiniert mit MRT/CT zur anatomischen Co-Registrierung, könnte eine verbesserte diagnostische Methode zur Darstellung rupturgefährdeter atherosklerotischen Plaques und frühzeitiger entzündlicher Prozesse darstellen. Ziel dieser Arbeit war es daher, atherosklerosische Plaques mittels Positronen¬emissions¬tomografie (PET) unter Verwendung neuer PET Tracer für die Darstellung von Entzündungs¬prozesse im Tiermodell und der humanen Anwendung zu untersuchen. Material und Methoden: Im Rahmen dieser Arbeit kamen verschiedene bildgebende Verfahren zur Anwendung. Im Einzelnen waren dies PET/CT bei humanen Studien sowie micro-PET, Autoradiografie und hochauflösende Magnetresonanztomografie (MRT) bei Untersuchungen im Tiermodell. Als PET-Tracer wurden das Glukosederivat 18F-Flurodesoxyglukose (18F-FDG), 68Ga-DOTATATE, das an Somatostatin-Rezeptoren bindet sowie Gallium-68 markiertes Fucoidan (68Ga-Fucoidan) verwendet. Bei 68Ga-Fucoidan handelt es sich um einen neu entwickelten PET-Tracer zur Darstellung von P-Selectin, welches an aktivieren Plaques im frühen Stadium der Atherosklerose überexprimiert wird. Die Untersuchungen im Tiermodell fanden sowohl an Apolipoprotein E Knockout-Mäusen (ApoE-/-) als auch an Lipopolysaccharid- (LPS) induzierten Mäusen statt. Des Weiteren wurden uptake-Untersuchungen auf in Zellkulturexperimenten durchgeführt. Zur Bestätigung der der Untersuchungsergebnisse wurden zusätzlich histochemische Untersuchungen durchgeführt. Im Rahmen der humanen Studien wurden 16 Patienten mit neuroendokrinenen Tumoren (NET) hinsichtlich vaskulärer Entzündungsprozesse untersucht. Alle Patienten erhielten ein 68Ga-DOTATATE PET/CT und 18F-FDG PET/CT zum Staging bzw. Restaging innerhalb von 6 Wochen. Die Einteilung der Patienten erfolgte in zwei Gruppen: hohes Risiko und geringes Risiko. Die uptake-Verhältnisse beider Tracer in beiden Gruppen wurden mit einander verglichen und hinsichtlich bekannter cardiocaskulärer Risikofaktoren in Beziehung gesetzt. Ergebnisse und Zusammenfassung: Die Expression der Somatostatin-Rezeptor Subtyps 2, an den 68Ga-DOTATATE an Makrophagen/Monocyten bindet, konnte mittels flow cytometrischer und immunhistochemischer Experimente im Mausmodell bestätigt werden. Mit Hilfe von micro-PET Untersuchungen und Autoradiografie wurde eine hohe spezifische Anreicherung von 68Ga-DOTATATE an Makrophagen innerhalb der Plaques beobachtet.Im Rahmen der Untersuchungen mit 68Ga-Fucoidan konnte eine hohe P-Selectin-Expression an aktiviertem Endothelium, welches die entzündlichen Plaques überlagert festgestellt werden. Bei inaktiven Plaques hingegen zeigte sich eine geringe P-Selectin-Expression. In micro-PET-Studien konnte ein spezifischer fokaler uptake von 68Ga-Fucoidan in der Aorta nachgewiesen werden. Dieser korrelierte mit den zusätzlich durchgeführten MRT-Unter¬suchungen zur Charakterisierung der Plaquemorphologie. Mittels Autoradiografie konnte nachgewiesen werden, dass 68Ga-Fucoidan eine höhere Affinität zu aktivierten entzündlichen Plaques im Vergleich zu inaktivieren fibrösen Plaques zeigt. Die spezifische Bindung von 68Ga-DOTATATE und 68Ga-Fucoidan wurde über Blockadeexperimente mittels Autoradiografie und PET bestätigt. In der humanen Anwendung wurde ein fokaler uptake von 18F-FDG und 68Ga-DOTATATE detektiert. Die Analyse der Übereinstimmung des uptakes beider Tracer ergab: Von 37 spots mit hohem 68Ga-DOTATATE-uptake zeigten 16 (43,2 %) ebenfalls einen fokalen 18F-FDG -uptake. Von 39 spots mit hohem 18F-FDG -uptake zeigten nur 11(28,2%) eine 68Ga-DOTATATE-Anreicherung. Betrachtet man den Tracer-uptake hinsichtlich des Calcium-burden und weiterer Risikofakoren, so ergeben sich folgende Korrelationskoeffizienten: TBRmean of 68Ga-DOTATATE korreliert signifikant mit der Anwesenheit von kalzifizierten Plaques (r=0,52), Blutdruck (r=0,60), Alter (r=0,56) und 18F-FDG uptake (r=0,64). Eine signifikante Korrelation von TBRmean 18F-FDG konnte lediglich beim Risikofaktor Blutdruck (r=0,58, p<0,05) festgestellt werden. Weiterhin zeigte sich, dass der TBRmean von Ga-DOTATATE in der Hoch-Risiko-Gruppe signifikant höher, dies gilt jedoch nicht für TBRmean 18F-FDG. Zusammenfassung: In dieser Arbeit wurden die vaskulären Entzündungsprozessen der Atherosklerose mittels der nichtinvasiven PET unter Verwendung von 68Ga-DOTATATE und 68Ga-Fucoidan untersucht und bewertet. 68Ga-DOTATATE zeigte eine spezifische Affinität zu Makrophagen innerhalb der atherosklerotischen Plaques. Mit 68Ga-Fucoidan konnt zwischen aktiven und inaktiven Plaques unterschieden werden. Die molekulare Bildgebung mittels PET eignet sich hervorragend zur Darstellung und Untersuchung molekularer Prozesse innerhalb atheroskerotischer Plaques. Dennoch sind weiterführende Technologien wie PET/MR, schnellere Algorithmen, hoch spezifische Radiotracer zur Weiterentwicklung der PET-Bildgebung atherosklerotischer Plaques notwendig. KW - Arteriosklerose KW - Entzündung KW - Makrophage KW - Positronen-Emissions-Tomographie KW - Non-invasive imaging KW - Atherosclerosis KW - PET KW - Nuclear imaging KW - Inflammation KW - Positron emission tomography KW - Vulnerable plaque KW - Macrophage Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-104622 ER - TY - THES A1 - Haddad, Dana T1 - Design of oncolytic viruses for the imaging and treatment of cancer: The vaccinia construct GLV-1h153 carrying the human sodium iodide symporter T1 - Design onkolytischer Viren zur Bildgebung und Therapie von Krebserkrankungen: Das Vaccinia-Konstrukt GLV-1h153 als Träger des menschlichen Natriumjodid Symporters N2 - Therapien mittels replikations-kompetenter onkolytischer Viren zeigten bereits vielversprechende Erfolge in klinischen Studien zur Bekämpfung verschiedener Krebserkrankungen. Die Viren sind in der Lage, sich präferentiell und selektiv in Krebszellen zu vermehren, wodurch das Tumorgewebe durch Zelllyse zerstört, das gesunde Gewebe jedoch nicht geschädigt wird. Biopsien sind zurzeit der Gold-Standard zur Überwachung onkolytischer Virus Therapien. In der präklinischen und frühen klinischen Phasen ist dies auch durchführbar, doch für weitere Studien am Menschen werden Methoden benötigt, die eine nicht-invasive Überwachung der Therapie ermöglichen. Das Nachverfolgen der Viren könnte Klinikern die Möglichkeit geben, die Verteilung der Viren im Körper nachzuverfolgen, die Effizienz und therapeutische Effekte zu korrelieren bzw. die mögliche virale Toxizität zu überwachen. Im Fokus dieser Arbeit stand die Konstruktion und das Austesten des VACV Stamms GLV-1h153, welches das Gen für den humanen Natrium-Iodid-Symporter (hNIS) kodiert, das als Reportergen für nicht-invasive bildgebende Nachverfolgung der Viren diente. Demzufolge diente das hier vorgestellte Projekt der Entwicklung von Bildgebungsverfahren, die in der onkolytischen Virustherapie eingesetzt werden können. Weiterhin sollte als weitere Strategie zur Krebsbekämpfung die Möglichkeit untersucht werden, mit Unterstützung der Viren eine gezielte Radiotherapie durchzuführen. Bei hNIS handelt es sich um ein intrinsisches Membranprotein welches den aktiven Transport und die Anreicherung von Iodid in Schilddrüsenzellen und einigen anderen Geweben vermittelt. Zudem wird das Gen, neben einigen anderen humanen Genen, bereits in präklinischen Studien als Reportergen verwendet und wurde in klinischen Studien bereits zur Darstellung von Viren in Prostata-Krebspatienten benutzt. Der Transfer des hNIS-kodierenden Gens mittels viraler Vektoren könnte es ermöglichen, dass infizierte Tumorzellen Träger-freie Radionuklidproben wie z.B. Iodid-124 (124I), Iodid-131 (131I), und 99m-Technecium Pertechtenate (99mTcO4), anreichern, welche schon lange für die Verwendung am Menschen zugelassen sind. Weitere Vorteile bei der Verwendung von hNIS als Reportergen humanen Ursprungs sind zum einen seine minimale Immunogenität und zum anderen die intrazelluläre Signalamplifikation durch die Transportfunktion des Systems. Der Stamm GLV1h153 wurde in der Pankreas-Adenokarzinom Zelllinie PANC-1 getestet. GLV-1h153 konnte diese Zellen infizieren, sich in ihnen replizieren und sie in Zellkultur schließlich ebenso effizient abtöten wie GLV-1h68. Zudem wurde eine Dosis-abhängige Expression von hNIS in infizierten Zellen nachgewiesen. Immunfluoreszenzanalysen bestätigten den erfolgreichen Transport des Proteins an die Zellmembran bevor die Zelllyse stattfand, was die Zeit- und Dosis-abhängigen Aufnahme von 131I verstärkte. In vivo war GLV-1h153, ebenso wie GLV-1h68, sicher und führte zu einer effektiven Regression der Pankreasxenograft Tumoren. Die Infektion des Tumors wurde weiterhin durch optische Bildgebung und histologische Untersuchungen bestätigt. GLV-1h153 ermöglichte weiterhin die Bildgebung von Viren in Tumoren mittels 124I-abhängiger Positronen-Emissions-Tomographie (PET) sowie 99m-Technecium Pertechnat-abhängiger (99mTcO4) Gamma Szintigraphie. Die Darstellung konnte sowohl mit intratumoral, wie auch mit intravenös applizierten Viren erfolgen, war quantitativ, und die Radiotracer konnten bis zu 24 bzw. sogar 48 h nach deren Injektion nachgewiesen werden. Die quantitative Analyse der Radionuklidaufnahme aus PET-Bildgebungsdaten korrelierte mit den Daten der Bioverteilungsdaten aus isolierten Gewebn. Autoradiographische Untersuchungen von GLV-1h153 infizierten Tumoren zeigten, dass das Vorhandensein von Viren (visualisiert durch die viral vermittelte GFP Expression), lebendes Gewebe und ausreichender Blutfluss benötigt werden, um die Aufnahme des Radiotracers in den Tumor zu erhöhen. Dosimetrische Analysen infizierter Tumoren zeigten das Potential für eine systemisch applizierte Radiotherapie des Tumors auf. So führte eine Kombination aus GLV-1h153 mit 131I-Behandlung zu geringfügig besseren therapeutischen Erfolgen, als eine alleinige Therapie mit GLV-1h153. Zusammengefasst, ist GLV-1h153 demnach ein vielversprechender Kandidat zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs und zur nichtinvasiven Bildgebung der viralen Therapie. Die Ergebnisse untermauern die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen und Entwicklungen in der Langzeitverfolgung viraler Therapien sowie synergistischer Effekte einer Radioiod-Kombinationstherapie mit dieser neuen therapeutischen und bildgebenden Substanzklasse. N2 - Replication-competent oncolytic viral therapies have shown great promise preclinically and in clinical trials for the treatment of various cancers. They are able to preferentially and selectively propagate in cancer cells, consequently destroying tumor tissue via cell lysis, while leaving noncancerous tissues unharmed. Currently, biopsy is the gold standard for monitoring of viral tumor colonization and oncolysis. This may be feasible in preclinical or early clinical trials; however, a noninvasive method facilitating ongoing monitoring of viral therapy is needed for human studies. The tracking of viral delivery could give clinicians the ability to assess the biodistribution of oncolytic viruses to ensure safety and correlation with treatment efficacy. This work centers on the construction and testing of a VACV strain, GLV-1h153, carrying the human sodium iodide symporter (hNIS) as a marker gene for non-invasive tracking of virus by imaging. Thus, this project aimed to help develop imaging techniques for use in clinical trials of oncolytic viral therapy. Further, the feasibility and effectiveness of virally induced targeted radiotherapy as an anti-cancer strategy was also investigated. hNIS is an intrinsic plasma membrane protein which mediates the active transport and concentration of iodide in the thyroid gland and some extra-thyroidal tissues. It is also one of several human genes currently being used as reporters in preclinical studies and has already been used in clinical studies for imaging viral replication in prostate cancer. hNIS gene transfer via viral vector may allow infected tumor cells to concentrate several carrier-free radionuclide probes such as Iodide-124 (124I), Iodide-131 (131I), and 99m-Technecium Pertechtenate (99mTcO4), which have long been approved for human use. hNIS also has the advantage of being of human origin thus minimizing immunogenicity, and its transporter based system allows intracellular signal amplification. GLV-1h153 was tested in pancreatic adenocarcinoma cell line PANC-1. GLV-1h153 infected, replicated within, and killed PANC-1 cells in cell culture as efficiently as GLV-1h68 and provided dose-dependent levels of hNIS transgene expression in infected cells. Immunofluorescence detected successful transport of the protein to the cell membrane prior to cell lysis, which enhanced dose and time-dependent intracellular uptake of 131I. In vivo, GLV-1h153 was as safe and effective as GLV-1h68 in regressing pancreatic cancer xenografts. Tumor infection by virus was confirmed via optical imaging and histology. GLV-1h153 further facilitated deep tissue imaging of virus replication in tumors via Iodide-124I positron emission tomography (PET) as well as 99mTcO4-mediated gamma scintigraphy. This was possible with both intratumoral and intravenous injection of the virus with radiouptake retained as long as 24 and 48 hours after radiotracer injection. PET image quantitation of radiouptake in tumors was found to correlate well with tissue radiouptake counts. Autoradiography of GLV-1h153-infected tumors revealed a need for presence of virus (visualized with green fluorescent protein expression), viable tissue, and adequate blood flow to enhance radiouptake in tumors. Dosimetric analysis of uptake in infected tumors displayed potential for therapeutic doses of radiotherapy to be delivered systemically to tumors. When GLV-1h153 was combined with 131I for treatment, a modest additive effect was seen as compared to GLV-1h153 alone. Therefore, GLV-1h153 is a promising new candidate for treating pancreatic cancer and noninvasively imaging viral therapy. These findings warrant further investigation into possible long term monitoring of viral therapy, as well as synergistic or additive effects of radioiodine combined with this novel treatment and imaging modality. KW - Onkolyse KW - Vaccinia-Virus KW - Bauchspeicheldrüsenkrebs KW - Bildgebendes Verfahren KW - onkolytische Viren KW - Vaccinia Virus KW - Pankreaskrebs KW - humaner Natrium-Iodid-Symporter KW - Positronen-Emissions-Tomographie KW - gezielte Radiotherapie KW - Oncolytic Virus KW - Vaccinia Virus KW - Cancer of Pancreas KW - Human sodium iodide symporter KW - Positron Emission Tomography KW - Targeted Radiotherapy Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56441 ER -