Validierung eines quantitativen Referenz-Standards für Perfusions-MRT im Kleintier

• Antragsteller: Dr. Philipp Backhaus
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446292030

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zielsetzung und Hintergrund: Die absolute Quantifizierung von Perfusionsparametern im Kleintier-MRT ist aufgrund der geringen Gefäßdurchmesser schwierig, da die arterielle Inputfunktion (AIF) - die dynamische Kontrastmittelkonzentration im Blut - kaum präzise zu erfassen ist. Das Ziel dieses Projekts war die Validierung einer extrakorporalen Zirkulation (Shunt) als neuem Goldstandard. Dabei sollten die quantitative Präzision des Setups überprüft, Referenzdatensätze generiert und moderne, schnelle MRT-Techniken evaluiert werden. Durchführung und methodische Anpassungen: Das Arbeitsprogramm gliederte sich in drei Arbeitspakete (WP1-3): WP1 (Methodik): Zu Beginn traten Probleme bei der Radiosynthese des Tracers Ga-D03A-Butrol auf, da verwendete Acetatpuffer zu Blutdruckabfällen bei den Tieren führten. Dies wurde durch eine Neudefinition der Synthese und den Einsatz von Gd-DTPA/Tc-DTPA gelöst. Moderne Sequenzen (3D-UTE GRASP, MP2RAGE) wurden erfolgreich implementiert. WP2 (Validierung): Die im Shunt gemessene AIF wurde mittels Radioaktivitätsmessungen, ICP-MS und Gammacounting validiert. Die Gewebekonzentrationen in Gehirn und Tumor wurden nach Entnahme der Organe mittels LA-ICP-MS und Autoradiographie abgeglichen. WP3 (Pharmakokinetik): Die Modellierung lieferte robuste Parameter (KTrans, Ve, Vp) mit deutlich geringerer Varianz als herkömmliche Methoden. 4. Wesentliche Ergebnisse und Erkenntnisse: Hohe Präzision: Das Projekt belegt, dass die extrakorporale Zirkulation eine hochpräzise Bestimmung der AIF und der Gewebekonzentrationen ermöglicht. Die Übereinstimmung mit den radiochemischen Goldstandards war exzellent. Einschränkung bei DSC-MRT: Der DSC-Ansatz (T2*-gewichtet) erwies sich aufgrund starker Suszeptibilitätsartefakte durch die Shunt-Bauteile als ungeeignet. Stattdessen wurde eine alternative operative Strategie (Karotis-Shunt) erfolgreich evaluiert. Dispersionskorrektur: Ein wesentlicher Teil der Arbeit floss in die mathematische Korrektur der Dispersion (Durchmischungseffekte im Shunt), was eine Voraussetzung für die präzise Modellierung war und in einer separaten Publikation (Cufe et al. 2023, EJNMMI Res) resultierte. Bildgestützte AIF (IDIF): Es wurde gezeigt, dass mittels 3D-UTE-GRASP auch ohne Shunt eine akzeptable bildgestützte AIF im Schädel gewonnen werden kann, die für viele Standardanwendungen ausreicht, wenngleich sie weniger präzise bleibt als der Shunt-Referenzstandard. Fazit und wissenschaftlicher Impact Das Projekt etablierte einen neuen methodischen Standard für die präklinische Perfusions-MRT. Die Ergebnisse bildeten die Grundlage für ein bewilligtes Teilprojekt in einem SFB (CRC Insight). Neben zahlreichen Konferenzbeiträgen wurden wichtige Ergebnisse bereits in Fachzeitschriften wie EJNMMI und EJNMMI Res publiziert; weitere Manuskripte befinden sich in Vorbereitung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Translational imaging of the fibroblast activation protein (FAP) using the new ligand [68Ga]Ga-OncoFAP-DOTAGA. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging, 49(6), 1822-1832.
  Backhaus, P.; Gierse, F.; Burg, M. C.; Büther, F.; Asmus, I.; Dorten, P.; Cufe, J.; Roll, W.; Neri, D.; Cazzamalli, S.; Millul, J.; Mock, J.; Galbiati, A.; Zana, A.; Schäfers, K. P.; Hermann, S.; Weckesser, M.; Tio, J.; Wagner, S. ... & Schäfers, M.
  
• EMIM 2022. Vortrag. Comparison of Image & Extracorporeal derived Arterial Input Functions (AIF) for quantitative Pharmacokinetic Modeling in Mice using the Extended Tofts Model (ETM).
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• ESMRMB 2022. Poster. Hybrid PET/MRI validation of arterial input functions after dual injection of MR contrast agents and their radioactive analogs in mice using an extracorporeal circulation approach at 9.4T BioSpec high-field MRI.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• ISMRM 2022. Poster. Comparison of image and extracorporeally derived arterial input functions (AIF) for DCE-MRI – evaluation with different vascular access ways and simultaneous radiotracer recordings.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• ISMRM perfusion workshop 2022. Poster. Comparison of Image & Extracorporeal Derived Arterial Input Functions (AIF) for Quantitative DCE-MRI in Mice Using a Multimodal Cross-Validation Approach.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• Nuklearmedizin 2022. Vortrag. Evaluation of different vascular access ways in an extracorporeal circulation model for quantitative determination of dual PET/MRI arterial input functions in mice.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• EMIM 2023. Poster. Posterpreis Kategorie “New Methods, Cross-Modal Neuroimaging & Validation”. Accurate Pharmacokinetic Modeling Using an Extracorporeal Circulation by Shunting the Carotid Artery for AIF Determination in Mice – A Multimodal Step-by-Step Validation Approach.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, K. Kronenberg, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, U. Karst, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• ISMRM 2023. Poster. Stepwise validation of Perfusion MRI Kinetic Modeling using an Extracorporeal circulation for AIF determination in Mice.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, K. Kronenberg, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, U. Karst, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus
  
• Nuklearmedizin 2023. Vortrag. Stepwise validation of Perfusion MRI Kinetic Modeling using an Extracorporeal Circulation for AIF determination in Mice.
  F. Gierse, J. Cufe, B. Maus, K. Kronenberg, M. Claesener, S. Hermann, K. P. Schäfers, U. Karst, C. Faber, M. A. Schäfers, F. Büther & P. Backhaus