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Deep convolutional generative adversarial networks (GAN) allow for creating images from existing databases. We applied a modified light-weight GAN (FastGAN) algorithm to cerebral blood flow SPECTs and aimed to evaluate whether this technology can generate created images close to real patients. Investigating three anatomical levels (cerebellum, CER; basal ganglia, BG; cortex, COR), 551 normal (248 CER, 174 BG, 129 COR) and 387 pathological brain SPECTs using N-isopropyl p-I-123-iodoamphetamine (123I-IMP) were included. For the latter scans, cerebral ischemic disease comprised 291 uni- (66 CER, 116 BG, 109 COR) and 96 bilateral defect patterns (44 BG, 52 COR). Our model was trained using a three-compartment anatomical input (dataset ‘A’; including CER, BG, and COR), while for dataset ‘B’, only one anatomical region (COR) was included. Quantitative analyses provided mean counts (MC) and left/right (LR) hemisphere ratios, which were then compared to quantification from real images. For MC, ‘B’ was significantly different for normal and bilateral defect patterns (P < 0.0001, respectively), but not for unilateral ischemia (P = 0.77). Comparable results were recorded for LR, as normal and ischemia scans were significantly different relative to images acquired from real patients (P ≤ 0.01, respectively). Images provided by ‘A’, however, revealed comparable quantitative results when compared to real images, including normal (P = 0.8) and pathological scans (unilateral, P = 0.99; bilateral, P = 0.68) for MC. For LR, only uni- (P = 0.03), but not normal or bilateral defect scans (P ≥ 0.08) reached significance relative to images of real patients. With a minimum of only three anatomical compartments serving as stimuli, created cerebral SPECTs are indistinguishable to images from real patients. The applied FastGAN algorithm may allow to provide sufficient scan numbers in various clinical scenarios, e.g., for “data-hungry” deep learning technologies or in the context of orphan diseases.
Background
The GMP-compliant production of radiopharmaceuticals has been performed using disposable units (cassettes) with a dedicated synthesis module. To expand this “plug ‘n’ synthesize” principle to a broader scope of modules we developed a pressure controlled setup that offers an alternative to the usual stepper motor controlled rotary valves. The new concept was successfully applied to the synthesis of N-methyl-[\(^{11}\)C]choline, L-S-methyl-[\(^{11}\)C]methionine and [11C]acetate.
Results
The target gas purification of cyclotron produced [\(^{11}\)C]CO\(_2\) and subsequent conversion to [\(^{11}\)C]MeI was carried out on a TRACERlab Fx C Pro module. The labelling reactions were controlled with a TRACERlab Fx FE module. With the presented modular principle we were able to produce N-methyl-[\(^{11}\)C]choline and L-S-methyl-[\(^{11}\)C]methionine by loading a reaction loop with neat N,N'-dimethylaminoethanol (DMAE) or an ethanol/water mixture of NaOH and L-homocysteine (L-HC), respectively and a subsequent reaction with [\(^{11}\)C]MeI. After 18 min N-methyl-[\(^{11}\)C]choline was isolated with 52% decay corrected yield and a radiochemical purity of > 99%. For L-S-methyl-[\(^{11}\)C]methionine the total reaction time was 19 min reaction, yielding 25% of pure product (> 97%). The reactor design was used as an exemplary model for the technically challenging [\(^{11}\)C]acetate synthesis. The disposable unit was filled with 1 mL MeMgCl (0.75 M) in tetrahydrofuran (THF) bevore [\(^{11}\)C]CO\(_2\) was passed through. After complete release of [\(^{11}\)C]CO\(_2\) the reaction mixture was quenched with water and guided through a series of ion exchangers (H\(^+\), Ag\(^+\) and OH\(^−\)). The product was retained on a strong anion exchanger, washed with water and finally extracted with saline. The product mixture was acidified and degassed to separate excess [\(^{11}\)C]CO\(_2\) before dispensing. Under these conditions the total reaction time was 18 ± 2 min and pure [\(^{11}\)C]acetate (n = 10) was isolated with a decay corrected yield of 51 ± 5%.
Conclusion
Herein, we described a novel single use unit for the synthesis of carbon-11 labelled tracers for preclinical and clinical applications of N-methyl-[\(^{11}\)C]choline, L-S-methyl-[\(^{11}\)C]methionine and [11C]acetate.
Purpose
For somatostatin receptor (SSTR)-positron emission tomography/computed tomography (PET/CT), a standardized framework termed SSTR-reporting and data system (RADS) has been proposed. We aimed to elucidate the impact of a RADS-focused training on reader’s anxiety to report on SSTR-PET/CT, the motivational beliefs in learning such a system, whether it increases reader’s confidence, and its implementation in clinical routine.
Procedures
A 3-day training course focusing on SSTR-RADS was conducted. Self-report questionnaires were handed out prior to the course (Pre) and thereafter (Post). The impact of the training on the following categories was evaluated: (1) test anxiety to report on SSTR-PET/CT, (2) motivational beliefs, (3) increase in reader’s confidence, and (4) clinical implementation. To assess the effect size of the course, Cohen’s d was calculated (small, d = 0.20; large effect, d = 0.80).
Results
Of 22 participants, Pre and Post were returned by 21/22 (95.5%). In total, 14/21 (66.7%) were considered inexperienced (IR, < 1 year experience in reading SSTR-PET/CTs) and 7/21 (33.3%) as experienced readers (ER, > 1 year). Applying SSTR-RADS, a large decrease in anxiety to report on SSTR-PET/CT was noted for IR (d = − 0.74, P = 0.02), but not for ER (d = 0.11, P = 0.78). For the other three categories motivational beliefs, reader’s confidence, and clinical implementation, agreement rates were already high prior to the training and persisted throughout the course (P ≥ 0.21).
Conclusions
A framework-focused reader training can reduce anxiety to report on SSTR-PET/CTs, in particular for inexperienced readers. This may allow for a more widespread adoption of this system, e.g., in multicenter trials for better intra- and interindividual comparison of scan results.
Vibrational spectroscopy can detect characteristic biomolecular signatures and thus has the potential to support diagnostics. Fabry disease (FD) is a lipid disorder disease that leads to accumulations of globotriaosylceramide in different organs, including the heart, which is particularly critical for the patient’s prognosis. Effective treatment options are available if initiated at early disease stages, but many patients are late- or under-diagnosed. Since Coherent anti-Stokes Raman (CARS) imaging has a high sensitivity for lipid/protein shifts, we applied CARS as a diagnostic tool to assess cardiac FD manifestation in an FD mouse model. CARS measurements combined with multivariate data analysis, including image preprocessing followed by image clustering and data-driven modeling, allowed for differentiation between FD and control groups. Indeed, CARS identified shifts of lipid/protein content between the two groups in cardiac tissue visually and by subsequent automated bioinformatic discrimination with a mean sensitivity of 90–96%. Of note, this genotype differentiation was successful at a very early time point during disease development when only kidneys are visibly affected by globotriaosylceramide depositions. Altogether, the sensitivity of CARS combined with multivariate analysis allows reliable diagnostic support of early FD organ manifestation and may thus improve diagnosis, prognosis, and possibly therapeutic monitoring of FD.
Simple Summary
Patients, who suffer from oligorecurrent prostate cancer with limited nodal involvement, may be offered positron emission tomography (PET)-directed salvage nodal radiotherapy to delay disease progression. This current analysis aimed to access salvage radiotherapy for nodal oligorecurrent prostate cancer with simultaneous integrated boost to PET-involved lymph nodes as metastasis-directed therapy. A long-term oncological outcome was favorable after salvage nodal radiotherapy and severe toxicity rates were low. Androgen deprivation therapy plays a major role in recurrent prostate cancer management and demonstrates a positive influence on the rate of biochemical progression in patients receiving salvage nodal radiotherapy. The present long-term analysis may help clinicians identify patients who would benefit from salvage nodal radiotherapy and androgen deprivation therapy, as a multimodal treatment strategy for oligorecurrent prostate cancer.
Abstract
Background: The study aimed to access the long-term outcome of salvage nodal radiotherapy (SNRT) in oligorecurrent prostate cancer. Methods: A total of 95 consecutive patients received SNRT for pelvic and/or extrapelvic nodal recurrence after prostate-specific membrane antigen (PSMA) or choline PET from 2010 to 2021. SNRT was applied as external beam radiotherapy with simultaneous integrated boost up to a median total dose of 62.9 Gy (EQD2\(_{1.5Gy}\)) to the recurrent lymph node metastases. The outcome was analyzed by cumulative incidence functions with death as the competing risk. Fine–Gray regression analyses were performed to estimate the relative hazards of the outcome parameters. Genitourinary (GU)/gastrointestinal (GI) toxicity evaluation utilized Common Toxicity Criteria for Adverse Events (v5.0). The results are as follows: the median follow-up was 47.1 months. The five-year biochemical progression rate (95% CI) was 50.1% (35.7–62.9%). Concomitant androgen deprivation therapy (ADT) was adminstered in 60.0% of the patients. The five-year biochemical progression rate was 75.0% (42.0–90.9%) without ADT versus 35.3% (19.6–51.4%) with ADT (p = 0.003). The cumulative five-year late grade 3 GU toxicity rate was 2.1%. No late grade 3 GI toxicity occured. Conclusions: Metastasis-directed therapy through SNRT for PET-staged oligorecurrent prostate cancer demonstrated a favorable long-term oncologic outcome. Omittance of ADT led to an increased biochemical progression.
Simple Summary
Prostate cancer often relapses after initial radical prostatectomy, and salvage radiotherapy offers a second chance of cure for relapsed patients. Modern imaging techniques, especially prostate-specific membrane antigen positron emission tomography/computed tomography (PSMA PET/CT), enable radiation oncologists to target radiotherapy at the involved sites of disease. In a group of patients, PSMA PET/CT imaging can detect a macroscopic local recurrence with or without locoregional lymph node metastasis. In these cases, an escalation of the radiotherapy dose is often considered for controlling the visible tumor mass. As the evidence for dose-escalated salvage radiotherapy for macroscopic recurrent prostate cancer after PSMA PET/CT imaging is still limited, we address this topic in the current analysis. We found that the outcome of patients with dose-escalated salvage radiotherapy for macroscopic prostate cancer recurrence is encouragingly favorable, while the toxicity is very limited.
Abstract
Background: The purpose of this study was to access the oncological outcome of prostate-specific membrane antigen positron emission tomography (PSMA PET/CT)-guided salvage radiotherapy (SRT) for localized macroscopic prostate cancer recurrence. Methods: Between February 2010 and June 2021, 367 patients received SRT after radical prostatectomy. Out of the 367 screened patients, 111 patients were staged by PSMA PET/CT before SRT. A total of 59 out of these 111 (53.2%) patients were treated for PSMA PET-positive macroscopic prostatic fossa recurrence. Dose-escalated SRT was applied with a simultaneous integrated boost at a median prescribed dose of 69.3 Gy (IQR 69.3–72.6 Gy). The oncological outcome was investigated using Kaplan-Meier and Cox regression analyses. The genitourinary (GU)/gastrointestinal (GI) toxicity evaluation utilized Common Toxicity Criteria for Adverse Events (version 5.0). Results: The median follow-up was 38.2 months. The three-year biochemical progression-free survival rate was 89.1% (95% CI: 81.1–97.8%) and the three-year metastasis-free survival rate reached 96.2% (95% CI: 91.2–100.0%). The cumulative three-year late grade 3 GU toxicity rate was 3.4%. No late grade 3 GI toxicity occurred. Conclusions: Dose-escalated PSMA PET/CT-guided salvage radiotherapy for macroscopic prostatic fossa recurrence resulted in favorable survival and toxicity rates.
Background
CXCR4-directed positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) has been used as a diagnostic tool in patients with solid tumors. We aimed to determine a potential correlation between tumor burden and radiotracer accumulation in normal organs.
Methods
Ninety patients with histologically proven solid cancers underwent CXCR4-targeted [\(^{68}\)Ga]Ga-PentixaFor PET/CT. Volumes of interest (VOIs) were placed in normal organs (heart, liver, spleen, bone marrow, and kidneys) and tumor lesions. Mean standardized uptake values (SUV\(_{mean}\)) for normal organs were determined. For CXCR4-positive tumor burden, maximum SUV (SUV\(_{max}\)), tumor volume (TV), and fractional tumor activity (FTA, defined as SUV\(_{mean}\) x TV), were calculated. We used a Spearman's rank correlation coefficient (ρ) to derive correlative indices between normal organ uptake and tumor burden.
Results
Median SUV\(_{mean}\) in unaffected organs was 5.2 for the spleen (range, 2.44 – 10.55), 3.27 for the kidneys (range, 1.52 – 17.4), followed by bone marrow (1.76, range, 0.84 – 3.98), heart (1.66, range, 0.88 – 2.89), and liver (1.28, range, 0.73 – 2.45). No significant correlation between SUV\(_{max}\) in tumor lesions (ρ ≤ 0.189, P ≥ 0.07), TV (ρ ≥ -0.204, P ≥ 0.06) or FTA (ρ ≥ -0.142, P ≥ 0.18) with the investigated organs was found.
Conclusions
In patients with solid tumors imaged with [\(^{68}\)Ga]Ga-PentixaFor PET/CT, no relevant tumor sink effect was noted. This observation may be of relevance for therapies with radioactive and non-radioactive CXCR4-directed drugs, as with increasing tumor burden, the dose to normal organs may remain unchanged.
In der Nuklearmedizin werden radioaktive Substanzen eingesetzt, um zu therapeutischen Zwecken gezielt bösartiges Gewebe zu zerstören oder in diagnostischen Anwendungen Stoffwechselvorgänge bildlich darzustellen. Die ionisierende Strahlung der eingesetzten Radionuklide kann jedoch auch DNA-Schäden in gesunden Zellen verursachen. DNA-Doppelstrangbrüche gehören dabei zu den kritischsten Läsionen, da sie schwer zu reparieren sind und eine fehlerhafte Reparatur zu Mutationen oder zum Zelltod führen kann. Während Radionuklidtherapien ist daher in Risikoorganen darauf zu achten, dass die deponierte Energie pro Masse, die Energiedosis, bestimmte Werte nicht überschreitet. Zu diesen Risikoorganen gehört auch das blutbildende System. Da eine Abschätzung der Energiedosis im Knochenmark häufig über die Bestimmung der Energiedosis im Blut als Surrogat erfolgt, ist deren Kenntnis von besonderem Interesse.
In dieser Arbeit wurden daher Berechnungen der Energiedosis im Blut nach interner Bestrahlung durchgeführt und die Ergebnisse mit der Anzahl an strahlungsinduzierten DNA-Doppelstrangbrüchen in PBMCs korreliert. Zur Quantifizierung der DNA-Schäden wurden die Biomarker \(\gamma\)-H2AX und 53BP1 verwendet, die nach Entstehung eines Doppelstrangbruchs um diesen akkumulieren und sich durch Immunfluoreszenzfärbung als mikroskopische Foci sichtbar machen und quantifizieren lassen. Dadurch ermöglicht der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assay einen quantitativen Nachweis strahlungsinduzierter Doppelstrangbrüche. Somit konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Kenntnisse über die Dosisabhängigkeit von DNA-Schäden in PBMCs während interner Bestrahlung mit unterschiedlichen Radionukliden sowohl ex vivo als auch in vivo gewonnen werden.
Ex-vivo-Untersuchungen haben den Vorteil, dass sie unter gleichbleibenden, gut definierten Bedingungen durchgeführt werden können und somit eine Analyse der Induktion von Doppelstrangbrüchen bei festgelegten Energiedosen und einer konstanten Bestrahlungsdauer erlauben. In dieser Arbeit wurden Blutproben von gesunden Versuchspersonen durch Zugabe von Radionukliden in bestimmten Aktivitätskonzentrationen eine Stunde lang intern bestrahlt. Für die Bestrahlung wurden die \(\alpha\)-Emitter \(^{223}\)Ra und \(^{224}\)Ra, die \(\beta\)\(^{-}\)-Emitter \(^{177}\)Lu und \(^{90}\)Y, der \(\beta\)\(^{+}\)-Emitter \(^{68}\)Ga und der \(\gamma\)-Emitter \(^{99m}\)Tc verwendet. Der untersuchte Energiedosisbereich lag zwischen 5 mGy und 136 mGy.
Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern wurde beobachtet, dass die Anzahl der strahlungsinduzierten \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci (RIF) in den PBMCs linear mit der Energiedosis im Blut ansteigt. Zudem zeigte sich, dass die Induktion der RIF unabhängig vom verwendeten Radionuklid und unabhängig von der Versuchsperson ist.
Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\alpha\)-Emittern waren zusätzlich zu den nach Expositionen mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern beobachteten kleinen, runden Foci auch \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltende Spuren \(\alpha\)-Spuren) in den Zellkernen erkennbar, welche die Trajektorien der emittierten \(\alpha\)-Teilchen darstellten. Es konnte gezeigt werden, dass die Anzahl dieser \(\alpha\)-Spuren linear mit der Energiedosis im Blut zunimmt und damit ein geeigneter Parameter für die Biodosimetrie nach Expositionen mit \(\alpha\)-emittierenden Radionukliden ist.
Auch in vivo wurde die Dosisabhängigkeit der DNA-Doppelstrangbrüche während der internen Bestrahlung durch Radionuklide mit unterschiedlichen Emissionseigenschaften untersucht. Aufgrund der neuen, vielversprechenden Entwicklungen von Radiopharmaka zur Therapie und Diagnostik des Prostatakarzinoms in den letzten Jahren wurden dafür Blutproben von Prostatakarzinom-Patienten während Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, während PET/CT-Diagnostik mit [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T und während Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) untersucht.
Während Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T zeigte sich, dass die Anzahl der RIF in den ersten Stunden nach Therapiebeginn durch eine lineare Anpassungskurve angenähert werden kann, die mit der Energiedosis im Blut ansteigt, gefolgt von einem Rückgang der RIF zu späteren Zeitpunkten, der durch die DNA-Reparatur erklärt werden kann. Die gesamte Energiedosis im Blut lag im Mittel bei (109 \(\pm\) 28) mGy. Der linear dosisabhängige Anstieg der RIF zu Therapiebeginn gleicht der dosisabhängigen Induktion der RIF ex vivo nach Bestrahlung mit \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden und kann gut mit der entsprechenden Ex-vivo-Kalibrierkurve beschrieben werden. Zu späteren Zeitpunkten (48 h und 96 h nach Verabreichung) konnte in dieser Arbeit eine lineare Korrelation zwischen der Anzahl der noch verbleibenden RIF und der Dosisleistung nachgewiesen werden. Eine signifikante Korrelation der Anzahl der RIF 96 h nach Verabreichung mit dem PSA-Wert deutet zudem darauf hin, dass ein Zusammenhang mit klinischen Parametern besteht.
Ein signifikanter Anstieg der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci konnte auch nach Verabreichung von [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T für diagnostische PET/CT-Untersuchungen beobachtet werden, obwohl die Energiedosen im Blut bis zum PET/CT-Scan nur < 3 mGy betrugen. Im Vergleich zur Ex-vivo-Kalibrierkurve war die Steigung der linearen Anpassungskurve in vivo im Bereich < 3 mGy in dieser Studie etwa um ein Zehnfaches höher, was auf eine mögliche Hypersensitivität im Niedrigdosisbereich hindeuten könnte. Der Beitrag der CT zur Energiedosis im Blut konnte durch Ex-vivo-Experimente auf etwa 12 mGy abgeschätzt werden.
Auch während Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) lagen die berechneten Energiedosen im Blut im Niedrigdosisbereich < 17 mGy. Trotzdem konnten in dieser Studie erstmalig \(\alpha\)-Spuren in vivo nach der Verabreichung eines \(\alpha\)-emittierenden Radionuklids quantifiziert werden, deren Anzahl 3 h und 4 h nach Verabreichung des Radiopharmakons signifikant erhöht war. Auch zu späten Zeitpunkten, bis vier Wochen nach Therapiebeginn, waren noch \(\alpha\)-Spuren nachweisbar, was auf eine unvollständige Reparatur der komplexen, durch die \(\alpha\)-Teilchen induzierten DNA-Schäden hinweisen könnte. Leider erlaubte die geringe Anzahl an Patienten und Datenpunkten keine zuverlässigen Korrelationen mit der Energiedosis oder mit klinischen Parametern.
Nachdem in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, dass DNA-Schäden nach interner Bestrahlung mit \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden mit Hilfe des \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assays zuverlässig nachgewiesen und anhand der Schadensgeometrie unterschieden werden können, wäre es in Zukunft interessant, DNA-Schäden auch nach Bestrahlung mit Radionuklidgemischen zu untersuchen. Dies könnte sowohl im Hinblick auf den Nachweis von Inkorporationen bei Strahlenunfällen hilfreich sein als auch zu einem besseren Verständnis der Effekte bei Behandlungen mit Radionuklidgemischen beitragen, welche vielversprechende Möglichkeiten für nuklearmedizinische Therapien bieten.
Zudem zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass insbesondere im für die Diagnostik relevanten Bereich sehr niedriger Energiedosen < 10 mGy weiterer Forschungsbedarf besteht. Durch die Untersuchung der dosisabhängigen Reparatur der durch interne Bestrahlung induzierten DNA-Schäden könnte beispielsweise analysiert werden, ob die Reparaturfähigkeit im Niedrigdosisbereich eingeschränkt ist. Außerdem wäre es gerade im Bereich niedriger Dosen von Interesse, zu untersuchen, inwiefern Beobachtungen ex vivo das Verhalten in vivo geeignet repräsentieren. Um die erhöhten statistischen Unsicherheiten im Niedrigdosisbereich zu reduzieren, könnten zukünftig Verbesserungen auf dem Gebiet der automatisierten Auswertung der \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltenden Foci und Spuren hilfreich sein.
Weitere Ziele zukünftiger Forschungsvorhaben könnten gezielte Untersuchungen zu Korrelationen zwischen der dosisabhängigen Induktion und Reparatur von DNA-Schäden und klinischen Parametern sowie die Analyse von DNA-Schäden während mehrerer Therapiezyklen darstellen. In Zusammenhang mit der Analyse klinischer Parameter wäre es denkbar, dass biodosimetrische Auswertungen zukünftig auch zur personalisierten Therapieplanung oder auch zur Vorhersage des Therapieerfolgs dienen und somit langfristig zu einer Optimierung nuklearmedizinischer Therapien beitragen könnten.
Die präklinische Forschung stellt den ersten wichtigen Meilenstein in der Klärung und Untersuchung klinisch-relevanter Erkrankungen dar. Darüber hinaus unterstützt die präklinische Forschung erheblich die Entwicklung von Therapien. Die Kleintier-Positronenemissionstomographie (µ-PET) spielt dabei eine wichtige Rolle, da sie in der Lage ist, funktionelle, physiologische und biochemische Prozesse in vivo darzustellen und zu quantifizieren. Trotz diverser etablierter PET-Datenauswertungs-Programme bleibt die Analyse von in vivo akquirierten Bilddaten aufgrund der Vielzahl an medizinischen Fragestellungen, der Komplexität der Krankheitsbilder, sowie der Etablierung neuer Radiotracer weiterhin eine große Herausforderung in der Medizin. Ziel dieser Doktorarbeit ist es daher, ein geeignetes, brauchbares Auswertungstool für eine einfache und effiziente Analyse von akquirierten µ-PET-Daten zu entwickeln und zu etablieren, welches das Spektrum bereits vorhandener Programme erweitert. Das entwickelte nuklearmedizinische Datenverarbeitungs-Analyseprogramm (engl. nuclear medicine data processing analysis tool, NU_DPA) wurde in Matlab implementiert und anhand dreier präklinischer Versuchs- bzw. Testreihen erprobt und etabliert. Bei den Datenreihen handelt es sich um µ-PET-Datensätze verschiedener Schlaganfall-Rattenhirnmodelle unter Verwendung folgender Radiotracer. Zum einen die im Gehirn homogen akkumulierende 2-[18F]Fluor-2-desoxy-glukose ([18F]FDG) zum anderen das spezifisch an P-Selektin anreichernde [68Ga]Fucoidan.
Das NU_DPA umfasst die automatische Selektion des Zielvolumens (volume-of-interest, VOI) aus dem vollständigen PET-Bild und die anschließende Ausrichtung des VOI mit Hilfe eines PET-Templates (gemittelter PET-Datensatz). Dieses PET Template wird aus den eigenen akquirierten PET-Daten erstellt. Durch das Einbinden eines geeigneten anatomischen MRT-Atlas‘ (anpassbar) können die ausgerichteten PET-Daten einzelnen, Atlas-spezifischen Teilregionen zugeordnet werden. Eine solche Subklassifikation des VOI erlaubt eine genauere Betrachtung und Auswertung der Radiotracer-Akkumulation.
Des Weiteren bietet NU_DPA die Möglichkeit einer semiquantitativen Auswertung der PET-Bilddaten anhand von drei unterschiedlichen Parametern, der normalisierten Aktivität, dem Standardized Uptake Value und der Uptake Ratio. Durch die Matlab-integrierten Statistik-Algorithmen ist zusätzlich eine Möglichkeit der statistischen Auswertung der zuvor berechneten Parameter gegeben. Das NU_DPA-Programm stellt somit ein semi-automatisiertes Datenauswertungs-Programm dar, das sowohl die Registrierung als auch die semiquantitative Auswertung von PET-Bilddaten innerhalb einer Versuchsreihe ermöglicht und bereits erfolgreich für die Radiotracer [18F]FDG und [68Ga]Fucoidan in Tiermodellen getestet wurde. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist kein Datenauswertungs-Programm bekannt, das PET-Bilddaten unter Verwendung des hinzugefügten Atlas‘ semi-automatisiert analysieren kann und potenziell für homogene und Target-spezifisch akkumulierende Radiotracer geeignet ist.
Oncogenic transformation of lung epithelial cells is a multistep process, frequently starting with the inactivation of tumour suppressors and subsequent development of activating mutations in proto-oncogenes, such as members of the PI3K or MAPK families. Cells undergoing transformation have to adjust to changes, including altered metabolic requirements. This is achieved, in part, by modulating the protein abundance of transcription factors. Here, we report that the ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase 28 (USP28) enables oncogenic reprogramming by regulating the protein abundance of proto-oncogenes such as c-JUN, c-MYC, NOTCH and ∆NP63 at early stages of malignant transformation. USP28 levels are increased in cancer compared with in normal cells due to a feed-forward loop, driven by increased amounts of oncogenic transcription factors such as c-MYC and c-JUN. Irrespective of oncogenic driver, interference with USP28 abundance or activity suppresses growth and survival of transformed lung cells. Furthermore, inhibition of USP28 via a small-molecule inhibitor resets the proteome of transformed cells towards a ‘premalignant’ state, and its inhibition synergizes with clinically established compounds used to target EGFR\(^{L858R}\)-, BRAF\(^{V600E}\)- or PI3K\(^{H1047R}\)-driven tumour cells. Targeting USP28 protein abundance at an early stage via inhibition of its activity is therefore a feasible strategy for the treatment of early-stage lung tumours, and the observed synergism with current standard-of-care inhibitors holds the potential for improved targeting of established tumours.
Schimmelpilze können in Abhängigkeit des Immunstatus und der Vorerkrankungen betroffener Patienten unterschiedliche Krankheitsbilder wie Hypersensitivitäts-erkrankungen oder lebensbedrohliche invasive Infektionen hervorrufen. Da die Diagnosestellung dieser Erkrankungen mitunter komplex und insensitiv ist, sollten im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche Ansätze neuer diagnostischer Assays untersucht werden.
In den letzten Jahren wurden Assays entwickelt, die auf Basis durchflusszytometrisch quantifizierter Pilz-spezifischer T-Zellen aus peripherem Blut einen supportiven Biomarker zur Diagnostik invasiver Mykosen liefern könnten. Da die hierfür isolierten T-Zellen anfällig gegenüber präanalytischer Lagerzeiten und immunsuppressiver Medikation sind, wurden hier Protokolloptimierungen vorgenommen, um anhand eines Vollblut-basierten Assays mit zusätzlicher CD49d-Kostimulation diesen Limitationen entgegen zu wirken. In einer Studie an gesunden Probanden konnte dabei gezeigt werden, dass die Kombination der Durchflusszytometrie mit ausgewählten Zytokin-Messungen (IL-5, IL-10 und IL-17) zu einer verbesserten Erkennung vermehrt Schimmelpilz-exponierter Personen beitragen könnte. Neben Infektionen könnten dabei im umwelt- und arbeitsmedizinischen Kontext Polarisationen der T-Zell-Populationen detektiert werden, welche mit Sensibilisierungen und Hypersensitivität assoziiert werden.
Zusätzlich wurde ein in vitro Transwell® Alveolarmodell zur Simulation pulmonaler Pilzinfektionen für Erreger der Ordnung Mucorales adaptiert, durch Reproduktion wichtiger Merkmale der Pathogenese von Mucormykosen validiert, und für Untersuchungen der Immunpathologie und Erreger-Invasion verwendet. Das Modell wurde anschließend zur in vitro Evaluation von radioaktiv markiertem Amphotericin B mit 99mTc oder 68Ga als nuklearmedizinischen Tracer verwendet. Die untersuchten Schimmelpilze zeigten dabei eine zeit- und dosis-abhängige Aufnahme der Tracer, während bakteriell infizierte Proben nicht detektiert wurden. Die erhobenen Daten dokumentieren ein vielversprechendes Potenzial von Amphotericin B-basierten Tracer, das in zukünftigen in vivo Studien weiter evaluiert werden sollte.
Prostate-specific membrane antigen (PSMA)-directed positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) is increasingly utilized for staging of men with prostate cancer (PC). To increase interpretive certainty, the standardized PSMA reporting and data system (RADS) has been proposed. Using PSMA-RADS, we characterized lesions in 18 patients imaged with \(^{18}\)F-PSMA-1007 PET/CT for primary staging and determined the stability of semi-quantitative parameters. Six hundred twenty-three lesions were categorized according to PSMA-RADS and manually segmented. In this context, PSMA-RADS-3A (soft-tissue) or -3B (bone) lesions are defined as being indeterminate for the presence of PC. For PMSA-RADS-4 and -5 lesions; however, PC is highly likely or almost certainly present [with further distinction based on absence (PSMA-RADS-4) or presence (PSMA-RADS-5) of correlative findings on CT]. Standardized uptake values (SUV\(_{max}\), SUV\(_{peak}\), SUV\(_{mean}\)) were recorded, and volumetric parameters [PSMA-derived tumor volume (PSMA-TV); total lesion PSMA (TL-PSMA)] were determined using different maximum intensity thresholds (MIT) (40 vs. 45 vs. 50%). SUV\(_{max}\) was significantly higher in PSMA-RADS-5 lesions compared to all other PSMA-RADS categories (p ≤ 0.0322). In particular, the clinically challenging PSMA-RADS-3A lesions showed significantly lower SUV\(_{max}\) and SUV\(_{peak}\) compared to the entire PSMA-RADS-4 or -5 cohort (p < 0.0001), while for PSMA-RADS-3B this only applies when compared to the entire PSMA-RADS-5 cohort (p < 0.0001), but not to the PSMA-RADS-4 cohort (SUV\(_{max}\), p = 0.07; SUV\(_{peak}\), p = 0.08). SUV\(_{mean}\) (p = 0.30) and TL-PSMA (p = 0.16) in PSMA-RADS-5 lesions were not influenced by changing the MIT, while PSMA-TV showed significant differences when comparing 40 vs. 50% MIT (p = 0.0066), which was driven by lymph nodes (p = 0.0239), but not bone lesions (p = 0.15). SUV\(_{max}\) was significantly higher in PSMA-RADS-5 lesions compared to all other PSMA-RADS categories in \(^{18}\)F-PSMA-1007 PET/CT. As such, the latter parameter may assist the interpreting molecular imaging specialist in assigning the correct PSMA-RADS score to sites of disease, thereby increasing diagnostic certainty. In addition, changes of the MIT in PSMA-RADS-5 lesions had no significant impact on SUV\(_{mean}\) and TL-PSMA in contrast to PSMA-TV.
Für das klinische Management des Prostatakarzinoms werden nuklearmedizinische Verfahren zunehmend relevant. Bildgebung und Therapie, welche gegen das Prostataspezifische Membranantigen (PSMA) gerichtet sind, werden bereits im klinischen Alltag angewendet. Weitere potenzielle Biomarker des Prostatakarzinoms, wie beispielsweise der CXC-Motiv-Chemokinrezeptor 4 (CXCR4) und der Somatostatinrezeptor Typ 2 (SSTR2), werden zudem als nuklearmedizinische Zielstrukturen diskutiert. Vorangegangene Arbeiten legten einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der PSMA-Expression und der Sensitivität gegenüber Docetaxel in Prostatakarzinomzellen nahe. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war, diesen Mechanismus genauer zu untersuchen. Dabei wurden die Aktivität onkogener Signalwege, die Proliferation und die CXCR4- sowie die Androgenrezeptor (AR)- Expression in Prostatakarzinomzelllinien mit unterschiedlicher PSMA-Expression durchflusszytometrisch quantifiziert. Im zweiten Projektteil sollte der Einfluss von Metformin und verschiedener, bereits in der Prostatakarzinomtherapie angewandter Medikamente (Docetaxel, Dexamethason, Abirateron und Enzalutamid), auf die Expression von PSMA, CXCR4 und SSTR2 untersucht werden. Die Quantifizierung der Expression erfolgte mittels Durchflusszytometrie. Ein kausaler Mechanismus für den Zusammenhang zwischen PSMA-Expression und Docetaxel-Sensitivität konnte in dieser Arbeit schließlich nicht hergestellt werden. Es zeigten sich jedoch vor allem Expressionsmodulationen von PSMA und CXCR4. Mittels Docetaxel konnte z.B. bei C4-2 Zellen eine Verdopplung der PSMA-Expression und eine Verdreifachung der CXCR4-Expression erreicht werden. Darüber hinaus zeigte die Behandlung mit Abirateron eine deutliche Heraufregulation der PSMA- Expression bei LNCaP und C4-2 Zellen, sowie eine Zunahme der CXCR4- Expression bei allen untersuchten Zelllinien. Sollte sich der Einfluss der medikamentösen Behandlung auf die Expression von PSMA und CXCR4 bestätigen, kann dies zukünftig zur verbesserten und individualisierten Diagnostik und Therapie von Prostatakarzinompatienten beitragen.
Background. Equipped with two stationary detectors, a large bore collimator for medium-sized animals has been recently introduced for dedicated preclinical single-photon emission computed tomography (SPECT) imaging. We aimed to evaluate the basic performance of the system using phantoms and healthy rabbits. Methods. A general-purpose medium-sized animal (GP-MSA) collimator with 135 mm bore diameter and thirty-three holes of 2.5 mm diameter was installed on an ultrahigh-resolution scanner equipped with two large stationary detectors (U-SPECT5-E/CT). The sensitivity and uniformity were investigated using a point source and a cylinder phantom containing 99mTc-pertechnetate, respectively. Uniformity (in %) was derived using volumes of interest (VOIs) on images of the cylinder phantom and calculated as , with lower values of % indicating superior performance. The spatial resolution and contrast-to-noise ratios (CNRs) were evaluated with images of a hot-rod Derenzo phantom using different activity concentrations. Feasibility of in vivo SPECT imaging was finally confirmed by rabbit imaging with the most commonly used clinical myocardial perfusion SPECT agent [99mTc]Tc-sestamibi (dynamic acquisition with a scan time of 5 min). Results. In the performance evaluation, a sensitivity of 790 cps/MBq, a spatial resolution with the hot-rod phantom of 2.5 mm, and a uniformity of 39.2% were achieved. The CNRs of the rod size 2.5 mm were 1.37, 1.24, 1.20, and 0.85 for activity concentration of 29.2, 1.0, 0.5, and 0.1 MBq/mL, respectively. Dynamic SPECT imaging in rabbits allowed to visualize most of the thorax and to generate time-activity curves of the left myocardial wall and ventricular cavity. Conclusion. Preclinical U-SPECT5-E/CT equipped with a large bore collimator demonstrated adequate sensitivity and resolution for in vivo rabbit imaging. Along with its unique features of SPECT molecular functional imaging is a superior collimator technology that is applicable to medium-sized animal models and thus may promote translational research for diagnostic purposes and development of novel therapeutics.
Background. Mediating glucose absorption in the small intestine and renal clearance, sodium glucose cotransporters (SGLTs) have emerged as an attractive therapeutic target in diabetic patients. A substantial fraction of patients, however, only achieve inadequate glycemic control. Thus, we aimed to assess the potential of the SGLT-targeting PET radiotracer alpha-methyl-4-deoxy-4-[\(^{18}\)F]fluoro-D-glucopyranoside ([\(^{18}\)F]Me4FDG) as a noninvasive intestinal and renal biomarker of SGLT-mediated glucose transport. Methods. We investigated healthy rats using a dedicated small animal PET system. Dynamic imaging was conducted after administration of the reference radiotracer 2-deoxy-2-[\(^{18}\)F]fluoro-D-glucose ([\(^{18}\)F]FDG), or the SGLT-targeting agent, [\(^{18}\)F]Me4FDG either directly into the digestive tract (for assessing intestinal absorption) or via the tail vein (for evaluating kidney excretion). To confirm the specificity of [18F]Me4FDG and responsiveness to treatment, a subset of animals was also pretreated with the SGLT inhibitor phlorizin. In this regard, an intraintestinal route of administration was used to assess tracer absorption in the digestive tract, while for renal assessment, phlorizin was injected intravenously (IV). Results. Serving as reference, intestinal administration of [\(^{18}\)F]FDG led to slow absorption with retention of % of administered radioactivity at 15 min. [\(^{18}\)F]Me4FDG, however, was rapidly absorbed into the blood and cleared from the intestine within 15 min, leading to markedly lower tracer retention of % (). Intraintestinal phlorizin led to marked increase of [\(^{18}\)F]Me4FDG uptake (15 min, %; vs. untreated controls), supporting the notion that this PET agent can measure adequate SGLT inhibition in the digestive tract. In the kidneys, radiotracer was also sensitive to SGLT inhibition. After IV injection, [\(^{18}\)F]Me4FDG reabsorption in the renal cortex was significantly suppressed by phlorizin when compared to untreated animals (%ID/g at 60 min, vs. untreated controls, ; ). Conclusion. As a noninvasive read-out of the concurrent SGLT expression in both the digestive tract and the renal cortex, [\(^{18}\)F]Me4FDG PET may serve as a surrogate marker for treatment response to SGLT inhibition. As such, [\(^{18}\)F]Me4FDG may enable improvement in glycemic control in diabetes by PET-based monitoring strategies.
This retrospective, single-institutional study investigated long-term outcome, toxicity and health-related quality of life (HRQoL) in meningioma patients after radiotherapy. We analyzed the data of 119 patients who received radiotherapy at our department from 1997 to 2014 for intracranial WHO grade I-III meningioma. Fractionated stereotactic radiotherapy (FSRT), intensity modulated radiotherapy (IMRT) or radiosurgery radiation was applied. The EORTC QLQ-C30 and QLQ-BN20 questionnaires were completed for assessment of HRQoL. Overall survival (OS) for the entire study group was 89.6% at 5 years and 75.9% at 10 years. Local control (LC) at 5 and 10 years was 82.4% and 73.4%, respectively. Local recurrence was observed in 22 patients (18.5%). Higher grade acute and chronic toxicities were observed in seven patients (5.9%) and five patients (4.2%), respectively. Global health status was rated with a mean of 59.9 points (SD 22.3) on QLQ-C30. In conclusion, radiotherapy resulted in very good long-term survival and tumor control rates with low rates of severe toxicities but with a deterioration of long-term HRQoL.
Background
In recent years, a lot of effort has been put in the enhancement of medical imaging using artificial intelligence. However, limited patient data in combination with the unavailability of a ground truth often pose a challenge to a systematic validation of such methodologies. The goal of this work was to investigate a recently proposed method for an artificial intelligence-based generation of synthetic SPECT projections, for acceleration of the image acquisition process based on a large dataset of realistic SPECT simulations.
Methods
A database of 10,000 SPECT projection datasets of heterogeneous activity distributions of randomly placed random shapes was simulated for a clinical SPECT/CT system using the SIMIND Monte Carlo program. Synthetic projections at fixed angular increments from a set of input projections at evenly distributed angles were generated by different u-shaped convolutional neural networks (u-nets). These u-nets differed in noise realization used for the training data, number of input projections, projection angle increment, and number of training/validation datasets. Synthetic projections were generated for 500 test projection datasets for each u-net, and a quantitative analysis was performed using statistical hypothesis tests based on structural similarity index measure and normalized root-mean-squared error. Additional simulations with varying detector orbits were performed on a subset of the dataset to study the effect of the detector orbit on the performance of the methodology. For verification of the results, the u-nets were applied to Jaszczak and NEMA physical phantom data obtained on a clinical SPECT/CT system.
Results
No statistically significant differences were observed between u-nets trained with different noise realizations. In contrast, a statistically significant deterioration was found for training with a small subset (400 datasets) of the 10,000 simulated projection datasets in comparison with using a large subset (9500 datasets) for training. A good agreement between synthetic (i.e., u-net generated) and simulated projections before adding noise demonstrates a denoising effect. Finally, the physical phantom measurements show that our findings also apply for projections measured on a clinical SPECT/CT system.
Conclusion
Our study shows the large potential of u-nets for accelerating SPECT/CT imaging. In addition, our analysis numerically reveals a denoising effect when generating synthetic projections with a u-net. Clinically interesting, the methodology has proven robust against camera orbit deviations in a clinically realistic range. Lastly, we found that a small number of training samples (e.g., ~ 400 datasets) may not be sufficient for reliable generalization of the u-net.
Purpose
A successful focused surgical approach in primary hyperparathyroidism (pHPT) relies on accurate preoperative localization of the parathyroid adenoma (PA). Most often, ultrasound is followed by [\(^{99m}\)Tc]-sestamibi scintigraphy, but the value of this approach is disputed. Here, we evaluated the diagnostic approach in patients with surgically treated pHPT in our center with the aim to further refine preoperative diagnostic procedures.
Methods
A single-center retrospective analysis of patients with pHPT from 01/2005 to 08/2021 was carried out followed by evaluation of the preoperative imaging modalities to localize PA. The localization of the PA had to be confirmed intraoperatively by the fresh frozen section and significant dropping of the intraoperative parathyroid hormone (PTH) levels.
Results
From 658 patients diagnosed with pHPT, 30 patients were excluded from the analysis because of surgery for recurrent or persistent disease. Median age of patients was 58.0 (13–93) years and 71% were female. Neck ultrasound was carried out in 91.7% and localized a PA in 76.6%. In 23.4% (135/576) of the patients, preoperative neck ultrasound did not detect a PA. In this group, [\(^{99m}\)Tc]-sestamibi correctly identified PA in only 25.4% of patients. In contrast, in the same cohort, the use of [\(^{11}\)C]-methionine or [\(^{11}\)C]-choline PET resulted in the correct identification of PA in 79.4% of patients (OR 13.23; 95% CI 5.24–33.56).
Conclusion
[\(^{11}\)C]-Methionine or [\(^{11}\)C]-choline PET/CT are superior second-line imaging methods to select patients for a focused surgical approach when previous ultrasound failed to identify PA.