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Both prostate-specific membrane antigen (PSMA)- and somatostatin receptor (SSTR)-targeted positron emission tomography (PET) imaging agents for staging and restaging of prostate carcinoma or neuroendocrine tumors, respectively, are seeing rapidly expanding use. In addition to diagnostic applications, both classes of radiotracers can be used to triage patients for theranostic endoradiotherapy. While interpreting PSMA- or SSTR-targeted PET/computed tomography (CT) scans, the reader has to be aware of certain pitfalls. Adding to the complexity of the interpretation of those imaging agents, both normal biodistribution, and also false-positive and -negative findings differ between PSMA- and SSTR-targeted PET radiotracers. Herein summarized under the umbrella term molecular imaging reporting and data systems (MI-RADS), two novel RADS classifications for PSMA- and SSTR-targeted PET imaging are described (PSMA- and SSTR-RADS). Both framework systems may contribute to increase the level of a reader’s confidence and to navigate the imaging interpreter through indeterminate lesions, so that appropriate workup for equivocal findings can be pursued. Notably, PSMA- and SSTR-RADS are structured in a reciprocal fashion, i.e. if the reader is familiar with one system, the other system can readily be applied as well. In the present review we will discuss the most common pitfalls on PSMA- and SSTR-targeted PET/CT, briefly introduce PSMA- and SSTR-RADS, and define a future role of the umbrella framework MI-RADS compared to other harmonization systems.
Objective: Radiotracers targeting prostate-specific membrane antigen (PSMA) have increasingly been recognized as showing uptake in a number of normal structures, anatomic variants, and non-prostate-cancer pathologies. We aimed to explore the frequency and degree of uptake in peripheral ganglia in patients undergoing PET with the PSMA-targeted agent \(^{18}\)F-DCFPyL.
Methods: A total of 98 patients who underwent \(^{18}\)F-DCFPyL PET/CT imaging were retrospectively analyzed. This included 76 men with prostate cancer (PCa) and 22 patients with renal cell carcinoma (RCC; 13 men, 9 women). Scans were evaluated for uptake in the cervical, stellate, celiac, lumbar and sacral ganglia. Maximum standardized uptake value corrected to body weight (SUV\(_{max}\)), and maximum standardized uptake value corrected to lean body mass (SUL\(_{max}\)) were recorded for all ganglia with visible uptake above background. Ganglia-to-background ratios were calculated by dividing the SUV\(_{max}\) and SUL\(_{max}\) values by the mean uptake in the ascending aorta (Aortamean) and the right gluteus muscle (Gluteusmean).
Results: Overall, 95 of 98 (96.9%) patients demonstrated uptake in at least one of the evaluated peripheral ganglia. With regard to the PCa cohort, the most frequent sites of radiotracer accumulation were lumbar ganglia (55/76, 72.4%), followed by the cervical ganglia (51/76, 67.1%). Bilateral uptake was found in the majority of cases [lumbar 44/55 (80%) and cervical 30/51 (58.8%)]. Additionally, discernible radiotracer uptake was recorded in 50/76 (65.8%) of the analyzed stellate ganglia and in 45/76 (59.2%) of the celiac ganglia, whereas only 5/76 (6.6%) of the sacral ganglia demonstrated \(^{18}\)F-DCFPyL accumulation. Similar findings were observed for patients with RCC, with the most frequent locations of radiotracer uptake in both the lumbar (20/22, 90.9%) and cervical ganglia (19/ 22, 86.4%). No laterality preference was found in mean PSMA-ligand uptake for either the PCa or RCC cohorts.
Conclusion: As PSMA-targeted agents become more widely disseminated, the patterns of uptake in structures that are not directly relevant to patients’ cancers must be understood. This is the first systematic evaluation of the uptake of \(^{18}\)F-DCFPyL in ganglia demonstrating a general trend with a descending frequency of radiotracer accumulation in lumbar, cervical, stellate, celiac, and sacral ganglia. The underlying biology that leads to variability of PSMA-targeted radiotracers in peripheral ganglia is not currently understood, but may provide opportunities for future research.
Aims: Although mortality rate is very high, diagnosis of acute myocarditis remains challenging with conventional tests. We aimed to elucidate the potential role of longitudinal 2-Deoxy-2-\(^{18}\)F-fluoro-D-glucose (\(^{18}\)F-FDG) positron emission tomography (PET) inflammation monitoring in a rat model of experimental autoimmune myocarditis.
Methods and results: Autoimmune myocarditis was induced in Lewis rats by immunizing with porcine cardiac myosin emulsified in complete Freund’s adjuvant. Time course of disease was assessed by longitudinal \(^{18}\)F-FDG PET imaging. A correlative analysis between in- and ex vivo \(^{18}\)F-FDG signalling and macrophage infiltration using CD68 staining was conducted. Finally, immunohistochemistry analysis of the cell-adhesion markers CD34 and CD44 was performed at different disease stages determined by longitudinal \(^{18}\)F-FDG PET imaging. After immunization, myocarditis rats revealed a temporal increase in 18F-FDG uptake (peaked at week 3), which was followed by a rapid decline thereafter. Localization of CD68 positive cells was well correlated with in vivo \(^{18}\)F-FDG PET signalling (R\(^2\) = 0.92) as well as with ex vivo 18F-FDG autoradiography (R\(^2\) = 0.9, P < 0.001, respectively). CD44 positivity was primarily observed at tissue samples obtained at acute phase (i.e. at peak 18F-FDG uptake), while CD34-positive staining areas were predominantly identified in samples harvested at both sub-acute and chronic phases (i.e. at \(^{18}\)F-FDG decrease).
Conclusion: \(^{18}\)F-FDG PET imaging can provide non-invasive serial monitoring of cardiac inflammation in a rat model of acute myocarditis.
We aimed to explore the impact of ageing on 11C-Hydroxyephedrine (11C-HED) uptake in the healthy rat heart in a longitudinal setting. To investigate a potential cold mass effect, the influence of specific activity on cardiac 11C-HED uptake was evaluated: 11C-HED was synthesized by N-methylation of (−)-metaraminol as the free base (radiochemical purity >95%) and a wide range of specific activities (0.2–141.9 GBq/μmol) were prepared. \(^{11}\)C-HED (48.7±9.7MBq, ranged 0.2–60.4μg/kg cold mass) was injected in healthy Wistar Rats. Dynamic 23-frame PET images were obtained over 30 min. Time activity curves were generated for the blood input function and myocardial tissue. Cardiac 11C-HED retention index (%/min) was calculated as myocardial tissue activity at 20-30 min divided by the integral of the blood activity curves. Additionally, the impact of ageing on myocardial 11CHED uptake was investigated longitudinally by PET studies at different ages of healthy Wistar Rats. A dose-dependent reduction of cardiac 11C-HED uptake was observed: The estimated retention index as a marker of norepinephrine function decreased at a lower specific activity (higher amount of cold mass). This observed high affinity of 11C-HED to the neural norepinephrine transporter triggered a subsequent study: In a longitudinal setting, the 11C-HED retention index decreased with increasing age. An age-related decline of cardiac sympathetic innervation could be demonstrated. The herein observed cold mass effect might increase in succeeding scans and therefore, 11C-HED microPET studies should be planned with extreme caution if one single radiosynthesis is scheduled for multiple animals.
Purpose: Early identification of aggressive disease could improve decision-support in pancreatic neuroendocrine tumor (pNET) patients prior to peptide receptor radionuclide therapy (PRRT). The prognostic value of intratumoral textural features (TF) determined by baseline somatostatin receptor (SSTR)-PET before PRRT was analyzed.
Procedures: 31 patients with G1/G2 pNET were enrolled (G2, n=23/31). Prior to PRRT with [\(^{177}\)Lu]DOTATATE (mean, 3.6 cycles), baseline SSTR-PET/CT was performed. By segmentation of 162 (median per patient, 5) metastases, intratumoral TF were computed. The impact of conventional PET parameters (SUV\(_{mean/max}\)), imaging-based TF as well as clinical parameters (Ki67, CgA) for prediction of both progression-free (PFS) and overall survival (OS) after PRRT was evaluated.
Results: Within a median follow-up of 3.7y, tumor progression was detected in 21 patients (median, 1.5y) and 13/31 deceased (median, 1.9y). In ROC analysis, the TF Entropy, reflecting derangement on a voxel-by-voxel level, demonstrated predictive capability for OS (cutoff=6.7, AUC=0.71, p=0.02). Of note, increasing Entropy could predict a longer survival (>6.7, OS=2.5y, 17/31), whereas less voxel-based derangement portended inferior outcome (<6.7, OS=1.9y, 14/31). These findings were supported in a G2 subanalysis (>6.9, OS=2.8y, 9/23 vs. <6.9, OS=1.9y, 14/23). Kaplan-Meier analysis revealed a significant distinction between high- and low-risk groups using Entropy (n=31, p<0.05). For those patients below the ROC-derived threshold, the relative risk of death after PRRT was 2.73 (n=31, p=0.04). Ki67 was negatively associated with PFS (p=0.002); however, SUVmean/max failed in prognostication (n.s.).
Conclusions: In contrast to conventional PET parameters, assessment of intratumoral heterogeneity demonstrated superior prognostic performance in pNET patients undergoing PRRT. This novel PET-based strategy of outcome prediction prior to PRRT might be useful for patient risk stratification.
Reliable standards and criteria for somatostatin receptor (SSTR) positron emission tomography (PET) are still lacking. We herein propose a structured reporting system on a 5-point scale for SSTR-PET imaging, titled SSTR-RADS version 1.0, which might serve as a standardized assessment for both diagnosis and treatment planning in neuroendocrine tumors (NET). SSTR-RADS could guide the imaging specialist in interpreting SSTR-PET scans, facilitate communication with the referring clinician so that appropriate work-up for equivocal findings is pursued, and serve as a reliable tool for patient selection for planned Peptide Receptor Radionuclide Therapy.
Introduction: The prognosis of medullary thyroid carcinoma (MTC) is poor using common chemotherapeutic approaches. However, during the last years encouraging results of recently introduced tyrosine kinase inhibitors (TKI) such as vandetanib have been published. In this study we aimed to correlate the results of \(^{18}\)F-fluorodeoxyglucose ([\(^{18}\)F]FDG) positron emission tomography (PET) imaging with treatment outcome.
Methods: Eighteen patients after thyroidectomy with recurrent/advanced MTC lesions receiving vandetanib (300 mg orally/day) could be analysed. A baseline \(^{18}\)F-FDG PET prior to and a follow-up \(^{18}\)F-FDG PET 3 months after TKI initiation were performed. During follow-up, tumor progression was assessed every 3 months including computed tomography according to RECIST. Progression-free survival (PFS) was correlated with the maximum standardized uptake value of \(^{18}\)F-FDG in lymph nodes (SUV(LN)max) or visceral metastases (SUV(MTS)max) as well as with clinical parameters using ROC analysis.
Results: Within median 3.6 years of follow-up, 9 patients showed disease progression at median 8.5 months after TKI initiation. An elevated glucose consumption assessed by baseline \(^{18}\)F-FDG PET (SUV(LN)max > 7.25) could predict a shorter PFS (2 y) with an accuracy of 76.5% (SUV(LN)max <7.25, 4.3 y; p=0.03). Accordingly, preserved tumor metabolism in the follow-up PET (SUV(MTS)max >2.7) also demonstrated an unfavorable prognosis (accuracy, 85.7%). On the other hand, none of the clinical parameters reached significance in response prediction.
Conclusions: In patients with advanced and progressive MTC, tumors with higher metabolic activity at baseline are more aggressive and more prone to progression as reflected by a shorter PFS; they should be monitored more closely. Preserved glucose consumption 3 months after treatment initiation was also related to poorer prognosis.
Background: Precise regional quantitative assessment of renal function is limited with conventional \(^{99m}\)Tc-labeled renal radiotracers. A recent study reported that the positron emission tomography (PET) radiotracer 2-deoxy-2-(\(^{18}\)F-fluorosorbitol (\(^{18}\)F-FDS) has ideal pharmacokinetics for functional renal imaging. Furthermore, (\(^{18}\)F-FDS is available via simple reduction from routinely used 2-deoxy-2-(\(^{18}\)F-fluoro-D-glucose ((\(^{18}\)F-FDG). We aimed to further investigate the potential of (\(^{18}\)F-FDS PET as a functional renal imaging agent using rat models of kidney diseases.
Methods: Two different rat models of renal impairment were investigated: Glycerol induced acute renal failure (ARF) by intramuscular administration of glycerol in hind legs and unilateral ureteral obstruction (UUO) by ligation of the left ureter. 24h after these treatments, dynamic 30 min 18F-FDS PET data were acquired using a dedicated small animal PET system. Urine 18F-FDS radioactivity 30 min after radiotracer injection was measured together with co-injected \(^{99m}\)Tc-diethylenetriaminepentaacetic acid (\(^{99m}\)Tc-DTPA) urine activity. Results: Dynamic PET imaging demonstrated rapid (\(^{18}\)F-FDS accumulation in the renal cortex and rapid radiotracer excretion via kidneys in control healthy rats. On the other hand, significantly delayed renal radiotracer uptake (continuous slow uptake) was observed in ARF rats and UUO-treated kidneys. Measured urine radiotracer concentrations of (\(^{18}\)F-FDS and \(^{99m}\)Tc-DTPA were well correlated (R=0.84, P<0.05).
Conclusions: (\(^{18}\)F-FDS PET demonstrated favorable kinetics for functional renal imaging in rat models of kidney diseases. Advantages of high spatiotemporal resolution of PET imaging and simple tracer production could potentially complement or replace conventional renal scintigraphy in select cases and significantly improve the diagnostic performance of renal functional imaging.
Einleitung: Die linksventrikuläre diastolische Dysfunktion (LVDD) ist bei Diabetikern noch vor Entwicklung einer klinisch apparenten Herzinsuffizienz eines der ersten Anzeichen einer kardialen Beteiligung. Daher soll in dieser Studie untersucht werden, ob die LVDD mit ECG-gated F-18-FDG PET in einem Diabetes-Rattenmodell dargestellt werden kann.
Methodik: Es wurden F-18-FDG PET Scans in einem Typ-2-Diabetes Rattenmodell (ZDF fa/fa, n=6) und in ZL Kontrollen (n=6) vorgenommen (Alter, jeweils 13 Wochen). Unter Hyperinsulinemic-Euglycemic Clamp-Technik wurden 37 MBq 18F-FDG über die Schwanzvene appliziert. 15-35 Minuten nach Tracergabe wurden mittels eines Kleintier-PET-Scanners sowie unter EKG-Ableitung PET Scans angefertigt (16 frames/cardiac cycle). Die linksventrikuläre Ejektionsfraktion (EF) und die Peak Füllrate (PFR) wurden mittels einer geeigneten Software (Heart Function View) gemessen, wobei die Software an die Größe des Rattenherzes angepasst wurde.
Ergebnisse: Im Alter von 13 Wochen entwickeln ZDF Diabetes-Ratten eine im Vergleich zu Kontrolltieren eine signifikante myokardiale Hypertrophie, bestätigt durch post-mortem Analyse des Herzgewichtes (994±78mg vs. 871±44mg in ZDF Diabetes-Ratten vs. ZL Kontrollen, p<0.01). ECG-gated PET zeigte eine signifikante Abnahme der LV diastolischen PFR (10.4±0.5 vs. 11.8±0.4 EDV/sec in ZDF Diabetes-Ratten vs. ZL Kontrollen, p<0.001), jedoch zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen LVEF und der Herzfrequenz in den untersuchten ZDF Diabetes-Ratten und Kontrollen (LVEF: 60.0±4.5 vs. 63.7±4.1%, n.s. und HR: 305±25 vs. 323±24 bpm, n.s.).
Schlussfolgerung: Im Diabetes-Ratten-Modell kann unter Verwendung eines ECG-gated FDG-PET Protokolls die diastolische Dysfunktion als Parameter der frühen diabetischen Kardiomyopathie nachgewiesen werden.
Das Multiple Myelom (MM) ist eine maligne hämatologische Erkrankung, die trotz großer Fortschritte in der Therapie immer noch eine schlechte Prognose hat.
Bisher ist es nicht möglich, mit einem bildgebenden Verfahren alle Fragen der Diagnostik, der Stadieneinteilung, des Therapiemonitorings und der Evaluation der Prognose des Multiplen Myeloms zu klären. Da es sich beim Multiplen Myelom aber um eine stark heterogene Erkrankung handelt, die eine frühzeitige individuelle Therapie erfordert, ist es unbedingt nötig Verfahren zu entwickeln, die eine spezifische Charakterisierung der Erkrankung bei jedem einzelnen Patienten ermöglichen.
In der vorliegenden Arbeit wurden die MM-Zelllinien INA-6, MM.1S und OPM-2 mit dem Proteasominhibitor MLN9708 behandelt. Behandelte und unbehandelte Zellen wurden mit dem Standardtracer 2-[18F]-Fluoro-2-Desoxy-D-Glukose (18F-FDG) oder dem in der Anwendung beim Multiplen Myelom neuen Aminosäuretracer [11C]-Methionin (11C-MET) inkubiert und die Aufnahme der Tracer zu bestimmten Zeitpunkten gemessen. Des Weiteren wurde die Ausprägung biologischer Merkmale der MM-Pathogenese bei behandelten und unbehandelten Zellen untersucht. Anschließend wurde ermittelt, ob ein Zusammenhang zwischen der Höhe der Traceraufnahme und der Ausprägung biologischer Merkmale der MM-Pathogenese bei behandelten und unbehandelten Zellen besteht.
Hierdurch soll geklärt werden, ob 11C-MET besser zur Diagnostik, dem Therapiemonitoring und der Evaluation der Prognose des Multiplen Myeloms geeignet ist als der Standardtracer 18F-FDG.
Es zeigte sich eine signifikant höhere 11C-MET-Aufnahme sowohl unbehandelter als auch behandelter Zellen im Vergleich zu 18F-FDG. Außerdem war eine Unterscheidung zwischen behandelten und unbehandelten Zellen mit 11C-MET besser möglich als mit 18F-FDG. Zwischen Traceraufnahme und biologischen Merkmalen der MM-Pathogenese, wie Proliferation, Expression von intrazellulären Leichtketten, CXCR4 und CD138, ergaben sich für behandelte und unbehandelte Zellen variable Zusammenhänge.
Die Ergebnisse legen nahe, dass 11C-MET besser zur Diagnostik und zum Therapiemonitoring des Multiplen Myeloms geeignet ist als der Standardtracer 18F-FDG.
Ob 11C-MET auch zur Stadieneinteilung und zur Evaluation der Prognose des Multiplen Myeloms besser geeignet ist als 18F-FDG, muss in weiteren Studien untersucht werden.
Background
Traumatic brain injury (TBI) is a major cause of death and disability. Neuroinflammation contributes to acute damage after TBI and modulates long-term evolution of degenerative and regenerative responses to injury. The aim of the present study was to evaluate the relationship of microglia activation to trauma severity, brain energy metabolism, and cellular reactions to injury in a mouse closed head injury model using combined in vivo PET imaging, ex vivo autoradiography, and immunohistochemistry.
Methods
A weight-drop closed head injury model was used to produce a mixed diffuse and focal TBI or a purely diffuse mild TBI (mTBI) in C57BL6 mice. Lesion severity was determined by evaluating histological damage and functional outcome using a standardized neuroscore (NSS), gliosis, and axonal injury by immunohistochemistry. Repeated intra-individual in vivo μPET imaging with the specific 18-kDa translocator protein (TSPO) radioligand [\(^{18}\)F]DPA-714 was performed on day 1, 7, and 16 and [\(^{18}\)F]FDG-μPET imaging for energy metabolism on days 2–5 after trauma using freshly synthesized radiotracers. Immediately after [\(^{18}\)F]DPA-714-μPET imaging on days 7 and 16, cellular identity of the [\(^{18}\)F]DPA-714 uptake was confirmed by exposing freshly cut cryosections to film autoradiography and successive immunostaining with antibodies against the microglia/macrophage marker IBA-1.
Results
Functional outcome correlated with focal brain lesions, gliosis, and axonal injury. [\(^{18}\)F]DPA-714-μPET showed increased radiotracer uptake in focal brain lesions on days 7 and 16 after TBI and correlated with reduced cerebral [\(^{18}\)F]FDG uptake on days 2–5, with functional outcome and number of IBA-1 positive cells on day 7. In autoradiography, [\(^{18}\)F]DPA-714 uptake co-localized with areas of IBA1-positive staining and correlated strongly with both NSS and the number of IBA1-positive cells, gliosis, and axonal injury. After mTBI, numbers of IBA-1 positive cells with microglial morphology increased in both brain hemispheres; however, uptake of [\(^{18}\)F]DPA-714 was not increased in autoradiography or in μPET imaging.
Conclusions
[\(^{18}\)F]DPA-714 uptake in μPET/autoradiography correlates with trauma severity, brain metabolic deficits, and microglia activation after closed head TBI.
Durch die Verwendung radioaktiver Substanzen mit ihrer schädigenden Wirkung auf den menschlichen Körper besteht in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ein fortwährendes Interesse an der Reduktion der applizierten Dosis bei gleichbleibender Qualität der Ergebnisse. Zusätzlich ist im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der Systeme eine Reduktion sowohl der Akquisitions- als auch der Rekonstruktionszeit erstrebenswert. In dieser Arbeit werden zwei Möglichkeiten vorgestellt, diese Ziele durch den Einsatz von Compressed Sensing (CS) zu erreichen.
Neben der Entwicklung neuartiger Rekonstruktionsalgorithmen können Filtertechniken eingesetzt werden, um eine qualitative Verbesserung rekonstruierter Bilder zu erzielen. Der Vorteil eines Filters besteht unter anderem darin, dass diese retrospektiv angewandt werden können. Es ist folglich möglich, die Qualität eines Bildes zu überprüfen und lediglich im Bedarfsfall einen Filter einzusetzen.
Die Technik des CS war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten im Bereich der Bildgebung, insbesondere in der Magnetresonanztomographie und der Computertomographie (CT). Mit CS könnten bildgebende Verfahren wie die CT oder die PET mit weniger Messungen durchgeführt werden, wodurch sich die Messzeit und die Strahlenexposition reduziert. In der molekularen Bildgebung mit der PET ist CS jedoch weitgehend unbekannt.
Im ersten Teil dieser Dissertation wird eine Methode vorgestellt, welche CS als Filtertechnik in der PET einsetzt. Den Ausgangspunkt stellt ein vollständiger, analytisch rekonstruierter Datensatz dar. Dieser wird mit einer Reihe unterschiedlicher Abtastmuster retrospektiv unterabgetastet und jeweils erneut, unter Verwendung von CS rekonstruiert. Im rauschfreien Fall würde CS stets das Originalbild liefern. Das überlagerte Rauschen führt jedoch zu Artefakten und einer Verschlechterung des Ergebnisses. CS kann nun einerseits das Rauschen vermindern. Andererseits ist es durch die Mittelung mehrerer unterschiedlicher Rekonstruktionen möglich, die Artefakte zu reduzieren. Auf diesem Weg kann die Bildqualität signifikant verbessert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Technik sowohl für 2D, als auch für 3D Datensätze verwendet werden kann. Die größten qualitativen Verbesserungen werden erzielt, wenn der Datensatz lediglich aus wenigen Ereignissen besteht. In diesem Fall ist die Bildqualität der analytischen Rekonstruktionen extrem schlecht, die Verbesserung durch die Filtertechnik mit CS und die damit verbundene Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses jedoch am größten. Bei diesen Datensätzen können die Ergebnisse iterativer Rekonstruktionen übertroffen werden. In der Praxis wäre damit ein Einsatz speziell bei dynamischen oder getriggerten Aufnahmen denkbar. In beiden Fällen basieren die Rekonstruktionen nicht selten auf wenigen Ereignissen. Die resultierenden Bilder sind häufig von schlechter Qualität, womit eine Verbesserung durch Filterung sinnvoll ist.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Rohdaten-basierten Triggerung am Kleintier-PET sowie mit dem Einsatz von CS zur Reduktion der Rekonstruktionszeit. Frühere Veröffentlichungen zeigten bereits die Anwendbarkeit Rohdaten-basierter Triggermethoden bei humanen Datensätzen. Im Hinblick auf eine präklinische Anwendung, speziell bei Datensätzen mit dem Fokus auf Mäuseherzen, existieren jedoch nur wenige Studien. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die segmentierte Methode des Massenschwerpunkts (COMseg) eine Technik darstellt, welche die kardiale Triggerung sowohl bei Datensätzen von Ratten, als auch von Mäusen erlaubt.
Ein nicht zu unterschätzender Nachteil der COMseg besteht darin, dass vor deren Anwendung die List-Mode Datei in kleine Zeitframes unterteilt und in Sinogramme sortiert werden muss. Auf jedes Sinogramm wird im Anschluss ein Rebinning Algorithmus angewandt. Dies stellt einen enormen Zeitaufwand dar, wodurch sich eine Anwendung bei größeren Studien in der Praxis als schwierig erweist. Ziel der Triggermethoden ist die Gewinnung eines Triggersignals, durch welches beispielsweise der Herzschlag in mehrere Phasen aufgeteilt werden kann. Das Triggersignal hat für gewöhnlich eine dünnbesetzte Repräsentation im Frequenzraum. Dieses Vorwissen ermöglicht den Einsatz von CS. Anstelle des vollständigen Datensatzes wurde lediglich ein Teil der Daten in kleine Zeitframes sortiert und mit der COMseg ausgewertet. Aus diesem unterabgetasteten Datensatz wird mit Hilfe von CS das vollständige Triggersignal rekonstruiert. Die Stärke der Unterabtastung entspricht in etwa dem Faktor der Reduktion der Rekonstruktionszeit. Auf diesem Weg ist es möglich, eine signifikante Beschleunigung zu erzielen. Die Anwendung dieser Technik ist jedoch nicht auf die COMseg beschränkt. Prinzipiell kann das Verfahren bei allen Methoden der Rohdaten-basierten Triggerung angewandt werden, welche es erlauben, die Abtastpunkte des Signals separat zu berechnen. Damit werden Algorithmen interessant, deren Einsatz aufgrund aufwändiger Berechnungen bislang in der Praxis nicht sinnvoll war.
Zusammenfassend legen die in dieser Arbeit vorgestellten Daten nahe, dass CS ein neuartiges Werkzeug in der PET darstellen könnte, mit welchem eine Filterung von Bildern sowie eine Reduktion der Rekonstruktionszeit möglich ist.
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,
Das Prostatakarzinom ist der häufigste bösartige Tumor des Mannes in den westlichen Industrieländern und die zweithäufigste tumorassoziierte Todesursache bei Männern weltweit. Für seine Diagnostik ist die Positronenemissionstomographie (PET) klinisch ein zunehmend wichtiges nicht-invasives bildgebendes Verfahren. Dennoch gibt es gegenwärtig noch kein geeignetes Radiopharmakon für die klinische Routineuntersuchung und die Charakterisierung des Prostatakarzinoms mit der PET. In dieser Arbeit wurden die Fettsäuren [18F]Fluorthiapalmitat (FTP) und 13-(4-[124/131I]Iodphenyl)-3-(p-phenylen)tridekansäure (PHIPA) hinsichtlich ihrer Eignung als Radiotracer für die PET zum Nachweis des Prostatakarzinoms in vitro und [18F]Fluorthiapalmitat auch in vivo untersucht. Methode: Für die Zellversuche wurden zwei hormonabhängige Zelllinien, LNCap und 22Rv1, und zwei hormonunabhängige Zelllinien DU145 und PC-3 verwendet. Nach Inkubation mit dem radioaktiven Tracer wurde die Höhe der Aufnahme im zeitlichen Verlauf mit Hilfe einer gamma-Kamera gemessen, sowie Untersuchungen zum Mechanismus der Aufnahme in die Zellen durchgeführt. In einem zweiten Schritt wurde die Aufnahme von [18F]FTP in ein heterotop implantiertes Prostatakarzinom in CD1-nu/nu-Nacktmäusen in vivo am Kleintier-PET bestimmt. Ergebnisse: Es zeigt sich sowohl für [18F]FTP als auch für [124/131I]PHIPA eine zeitabhängige Aufnahme in die Prostatakarzinomzellen mit Erreichen eines Plateaus. Dieses wird von der fluorierten Fettsäure [18F]FTP schneller erreicht als von der jodierten Fettsäure [124/131I]PHIPA. Das Plateau der Aufnahme liegt für [18F]FTP signifikant höher als für [124/131I]PHIPA. Desgleichen ist die maximal erreichte Aufnahme in die beiden hormonabhängigen Zelllinien LNCaP und 22Rv1 höher liegt, als in die hormonunabhängigen Zelllinien DU125 und PC-3. Im Rahmen von kompetitiven Inhibitorexperimenten mit Etomoxir konnte gezeigt werden, dass die Carnitin-Palmitoyltransferase einen wichtigen Aufnahmemechanismus für den Transport von [18F]FTP in die Zellen darstellt. Die Aufnahme von [124/131I]PHIPA in die Prostatakarzinomzellen wird durch Etomoxir nicht beeinflusst. Desgleichen lässt sich die Aufnahme sowohl von [18F]FTP als auch von [124/131I]PHIPA weder durch Koinkubation mit Angiotensin noch mit AICAR hemmen. Die Kleintier-PET-Untersuchungen zeigten eine relativ geringe Aufnahme von [18F]FTP in die Tumoren in vivo im Vergleich zur Akkumulation in Tumorzellen in vitro in der Zellkultur. Die Abgrenzung des Tumors mittels [18F]FTP-PET war zwar möglich, jedoch insgesamt noch nicht zufriedenstellend. Die Diskrepanz zwischen Daten aus Zellexperimenten in vitro und Ergebnissen aus tierexperimentellen Untersuchungen in vivo am Kleintier-PET kann noch nicht erklärt werden. Schlussfolgerung: Insgesamt legen die positiven Ergebnisse der in vitro Experimente mit [18F]FTP und [124/131I]PHIPA einen Grundstein für fortführende in vivo Bewertungen dieser Radiopharmaka mit dem Ziel, das Potential als mögliches Radiopharmakon zur Darstellung des Prostatakarzinoms abschließend klären zu können.
Einleitung: Ultraschall wird seit mehr als 50 Jahren in der Medizin eingesetzt und ist mittlerweile ein unverzichtbares diagnostisches Verfahren, es erlaubt eine nicht-invasive Darstellung der Morphologie und Funktion von Organen in Echtzeit. In der Kleintierbildgebung dominieren bisher zur morphologischen Bildgebung Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT). Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die Idee entwickelt, die morphologischen Informationen des 3D-Ultraschalls (3D-US) für Untersuchungen an Kleintieren zu verwenden, außerdem sollten Methoden zur multimodalen Bildgebung und Bildfusion von 3D-US und Kleintier-Positronenemissionstomographie (PET) entwickelt werden. Der Vorteil des Ultraschalls gegenüber dem Kleintier-CT liegt in der fehlenden Strahlenbelastung und der guten Verfügbarkeit, was besonders für Verlaufsstudien von Interesse ist. Methoden und Ergebnisse: Zur Bildoptimierung wurde ein Fadenphantom entwickelt, welches aufgrund der feinen Strukturen die qualitative als auch quantitative Bestimmung der Auflösung ermöglicht. Die Vorarbeiten am Fadenphantom konnten exzellent die Probleme des 3D-Ultraschalls mit der achsenabhängigen Auflösung zeigen und ermöglichten eine schnelle Beurteilung der Bildqualität. Hier bestehen Einsatzmöglichkeiten in der Bewertung verschiedener Ultraschallgeräte bezüglich der Tauglichkeit für 3D-Datenaquisition. Zur reproduzierbaren Lagerung von Mäusen wurde eine Schallkopfführung ein sowohl für 3D-US als auch Kleintier-PET kompatibler Tierhalter entwickelt. Die Maus lag zur Untersuchung im angewärmten Wasserbad auf dem Tierhalter fixiert, mit Inhalationsanästhesie und Sauerstoff über eine Atemmaske versorgt. Der Zeitaufwand für eine 3D-US-Untersuchung betrug für die Akquisition etwa eine Minute. Die generierten Ultraschalldatensätze waren von guter Qualität, Strukturen wie Leber, Nieren, Blase, Wirbelsäule und Lunge konnten selbst bei kleinen Mäusen von unter 20 Gramm Körpergewicht gut dargestellt werden. Zur Validierung des 3D-Ultraschalls wurde das Volumen verschiedener Organe und Tumore bestimmt und mit dem Goldstandard verglichen. Um die Koregistrierung mit der Kleintier-PET zu ermöglichen, wurden auf dem Tierhalter drei „fiducial markers“ angebracht, die Position und Orientierung eindeutig definieren. Die Kleintier-PET-Untersuchungen wurden nach standardisierten Protokollen durchgeführt. Die anschließende Bildfusion erfolgte mittels der frei verfügbaren Software "Amide". Diskussion: Mit dem in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren ist eine standardisierte Gewinnung von 3D-US-Datensätzen an Kleintieren möglich; zusätzlich konnte die Machbarkeit der Bildfusion mit PET-Datensätzen gezeigt werden. Der Einsatz des 3D-Ultraschalls in longitudinalen Studien, zum Beispiel zur Beurteilung der Tumorprogression, ist vorstellbar. Die Zuverlässigkeit der volumetrischen Berechnungen ist für größere Organvolumina gut, bei kleineren Volumina besteht noch Optimierungsbedarf. Weitere Verbesserungen könnten durch den Einsatz von speziellen Schallköpfen und höheren Schallfrequenzen erzielt werden.