Priyadarshini Panjwani

• Fulminant myocarditis is rare but a potentially life-threatening disease. Acute or mild myocarditis following acute ischemia is generally associated with a profound activation of the host’s immune system. On one hand this is mandatory to protect the host’s heart by fighting the invading agents (i.e., bacteria, viruses or other microbial agents) and/or to induce healing and repair processes in the damaged myocardium. On other hand, uncontrolled activation of the immune system may result in the generation of auto-reactive (not always beneficial)Fulminant myocarditis is rare but a potentially life-threatening disease. Acute or mild myocarditis following acute ischemia is generally associated with a profound activation of the host’s immune system. On one hand this is mandatory to protect the host’s heart by fighting the invading agents (i.e., bacteria, viruses or other microbial agents) and/or to induce healing and repair processes in the damaged myocardium. On other hand, uncontrolled activation of the immune system may result in the generation of auto-reactive (not always beneficial) immune cells. Myocarditis or inflammatory cardiomyopathy is characterized by focal or diffuse infiltrates, myocyte necrosis and/or apoptosis and subsequent fibrotic replacement of the heart muscle. In humans, about 30% of the myocarditis-patients develop dilated cardiomyopathy. As the clinical picture of myocarditis is multifaceted, it is difficult to diagnose the disease. Therefore, the main goal of the present work was to test and further develop novel non-invasive methods for the detection of myocardial inflammation by employing both contrast enhanced MRI techniques as well as novel nuclear tracers that are suitable for in vivo PET/ SPECT imaging. As a part of this thesis, a pre-clinical animal model was successfully established by immunizing female Lewis rats with whole-porcine cardiac myosin (CM). Induction of Experimental Autoimmune Myocarditis (EAM) is considered successful when anti-myosin antibody titers are increased more than 100-fold over control animals and pericardial effusion develops. In addition, cardiac tissues from EAM-rats versus controls were analyzed for the expression of various pro-inflammatory and fibrosis markers. To further exploit non-invasive MRI techniques for the detection of myocarditis, our EAM-rats were injected either with (1) ultra-small Paramagnetic iron oxide particles (USPIO’s; Feraheme®), allowing for in vivo imaging , (2) micron sized paramagnetic iron oxide particles (MPIO) for ex vivo inflammatory cell-tracking by cMRI, or (3) with different radioactive nuclear tracers (67gallium citrate, 68gallium-labeled somatostatin analogue, and 68gallium-labeled cyclic RGD-peptide) which in the present work have been employed for autoradiographic imaging, but in principle are also suitable for in vivo nuclear imaging (PET/SPECT). In order to compare imaging results with histology, consecutive heart sections were stained with hematoxylin & eosin (HE, for cell infiltrates) and Masson Goldner trichrome (MGT, for fibrosis); in addition, immuno-stainings were performed with anti-CD68 (macrophages), anti-SSRT2A (somatostatin receptor type 2A), anti-CD61 (β3-integrins) and anti-CD31 (platelet endothelial cell adhesion molecule 1). Sera from immunized rats strongly reacted with cardiac myosin. In immunized rats, echocardiography and subsequent MRI revealed huge amounts of pericardial effusion (days 18-21). Analysis of the kinetics of myocardial infiltrates revealed maximal macrophage invasion between days 14 and 28. Disappearance of macrophages resulted in replacement-fibrosis in formerly cell-infiltrated myocardial areas. This finding was confirmed by the time-dependent differential expression of corresponding cytokines in the myocardium. Immunized animals reacted either with an early or a late pattern of post-inflammation fibrosis. Areas with massive cellular infiltrates were easily detectible in autoradiograms showing a high focal uptake of 67gallium-citrate and 68gallium labeled somatostatin analogues (68Ga DOTA-TATE). Myocardium with a loss of cardiomyocytes presented a high uptake of 68gallium labeled cyclic RGD-peptide (68Ga NOTA-RGD). MRI cell tracking experiments with Feraheme® as the contrast-agent were inconclusive; however, strikingly better results were obtained when MPIOs were used as a contrast-agent: histological findings correlated well with in vivo and ex vivo MPIO-enhanced MRI images. Imaging of myocardial inflammatory processes including the kinetics of macrophage invasion after microbial or ischemic damage is still a major challenge in, both animal models and in human patients. By applying a broad panel of biochemical, histological, molecular and imaging methods, we show here that different patterns of reactivity may occur upon induction of myocarditis using one and the same rat strain. In particular, immunized Lewis rats may react either with an early or a late pattern of macrophage invasion and subsequent post-inflammation fibrosis. Imaging results achieved in the acute inflammatory phase of the myocarditis with MPIOs, 67gallium citrate and 68gallium linked to somatostatin will stimulate further development of contrast agents and radioactive-nuclear tracers for the non-invasive detection of acute myocarditis and in the near future perhaps even in human patients.…
• Eine fulminant verlaufende Myokarditis ist eine seltene aber potentiell lebensbedrohliche Erkrankung. Akute oder chronische Myokarditis gehen generell mit einer starken Aktivierung des Immunsystems der Betroffenen einher. Zum einen ist dies notwendig, um das Herz durch Bekämpfung der Eindringlinge (z.B. Bakterien, Viren oder andere mikrobielle Erreger) zu schützen und/oder Heilungs- und Reparaturprozesse im geschädigten Myokard einzuleiten. Zum anderen kann eine unkontrollierte Aktivierung des Immunsystems aber auch zur Entstehung von (nichtEine fulminant verlaufende Myokarditis ist eine seltene aber potentiell lebensbedrohliche Erkrankung. Akute oder chronische Myokarditis gehen generell mit einer starken Aktivierung des Immunsystems der Betroffenen einher. Zum einen ist dies notwendig, um das Herz durch Bekämpfung der Eindringlinge (z.B. Bakterien, Viren oder andere mikrobielle Erreger) zu schützen und/oder Heilungs- und Reparaturprozesse im geschädigten Myokard einzuleiten. Zum anderen kann eine unkontrollierte Aktivierung des Immunsystems aber auch zur Entstehung von (nicht immer vorteilhaften) auto-reaktiven Immunzellen führen. Eine Myokarditis oder entzündliche Kardiomyopathie ist charakterisiert durch fokale oder diffuse Infiltrate, Nekrose und/oder Apoptose der Myozyten und einen fortschreitenden fibrotischen Ersatz des Herzmuskelgewebes. Beim Menschen entwickeln etwa 30% der Myokarditis-Patienten eine dilatative Kardiomyopathie. Da das klinische Bild der Myokarditis sehr vielfältig sein kann, ist die Diagnosestellung dieser Erkrankung schwierig. Deshalb war es das Kernziel dieser Arbeit, nicht-invasive Methoden zum Nachweis myokardialer Entzündungen zu testen, und dabei neue Bildgebungsverfahren unter Einsatz von neuen MRT-Kontrastmitteln sowie neuen nuklearen Tracern, die auch für PET/SPECT geeignet wären, zu entwickeln. Diese Verfahren wurden von uns zunächst an einem human-analogen Ratten-Modell evaluiert, mit dem Ziel später evtl. auch einmal beim Menschen eingesetzt werden zu können. Für unser präklinisches Tiermodell wurden weibliche Lewis-Ratten mit kardialem Myosin aus Schweinen immunisiert. Die erfolgreiche Induktion einer „Experimentellen Autoimmunen Myokarditis (EAM)“ wurde durch einen signifikanten Anstieg der Anti-Myosin Antikörpertiter in immunisierten Tieren und die Ausbildung eines Perikardergusses (Echokardiographie) bestätigt. Zusätzlich wurde aus apikalem kardialem Gewebe RNA isoliert und die Expression verschiedener pro-inflammatorischer und pro-fibrotischer molekularer Marker untersucht. Um die Bildgebung mittels kontrast-verstärktem cMRT zu optimieren, wurden den Tieren entweder kleine Eisenoxid-Nanopartikel (Ultra small paramagnetic iron oxide particles, USPIO; Feraheme®), oder sog. ,,Micronsized paramagnetic iron oxide particles (MPIO)‘‘ für das Tracking inflammatorischer Zellen injiziert. Im daraufolgenden Schritt wurden radioaktive nukleare Tracer (67Gallium-Citrat, 68Gallium-markierte Somatostatin-Analoga und 68Gallium-markierte zyklische RGD-Peptide) injiziert, um dann Autoradiogramme von Herzschnitten zu gewinnen.…