Strategien zur selektiven Darstellung magnetisch markierter Zellen mittels MRT in verschiedenen Geweben.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den letzten Jahren haben Stamm- und Immunzellentherapie bei der Behandlung von verschiedensten Krankheitsbildern stetig an Bedeutung gewonnen. Hierbei werden den Patienten unterschiedliche Zelltypen verabreicht, welche an bestimmten Gebieten im Körper eine definierte Reaktion hervorrufen sollen. Damit diese Therapiemethoden erfolgreich sind, muss der Bewegungsverlauf der Zellen und deren Lebensfähigkeit ständig kontrolliert werden. Einen vielversprechenden Ansatz dazu liefert die Magnetresonanztomographie (MRT). Vor der Injektion der Zellen werden diese in einer kontrastmittelhaltigen Lösung inkubiert. Als Kontrastmittel werden dazu vornehmlich superparamagnetische Eisenoxid Partikel (SPIO) venwendet. Die Partikel lagern sich bei der Inkubation an die Wände der Zellen an oder werden von ihnen aufgenommen. Durch die superparamagnetische Eigenschaft der Partikel lassen sich die markierten Zellen mit Hilfe der Magnetresonanztomographie detektieren. Bei konventioneller Bildgebung stellen sich diese als Signalauslöschungen dar und erzeugen somit einen negativen Kontrast. Ein zuverlässiger Nachweis der markierten Zellen kann dabei durch gewebespezifische Signalauslöschungen oder Gewebe mit natürlicher reduzierter Signalintensität maskiert werden. Ein besseres Ergebnis für die Lokalisierung von markierten Zellen wird durch Bildgebung mit positivem Kontrast im Bereich der Eisenoxidpartikel erreicht. Dazu werden die Bereiche im Gewebe, die keine markierten Zellen enthalten, unterdrückt, während das Signa! in der Umgebung der Partikel unverändert bleibt. Ziel des durchgeführten Projekts war die Entwicklung neuer Techniken zur Darstellung von Suszeptibilitäten, wie SPIO-Partikel, mit positivem Kontrast, und deren Differenzierung von gewebespezifischen Inhomogenitäten und Gewebeanteilen mit niedriger Signal Intensität. Dazu wurden zwei neue Nachbearbeitungstechniken entwickelt, die die physikalischen Eigenschaften der Partikel und deren Wirkung in näherer Umgebung ausnutzen, um positiven Kontrast zu erzeugen. Beide Techniken beruhen auf konventionellen Gradientenechosequenzen und kommen dabei ohne zusätzliche Pulse oder Gradientenschaltungen aus. Zum einen wurde eine Methode entwickelt, die auf der suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung basiert. Bei der SWI-Methode wird die Phasenlage jedes einzelnen Pixels durch eine Funktion ausgewertet und eine Maske erzeugt, welche dann mit dem Magnitudenbild multipliziert wird. Durch Funktionen, die die homogenen Phasenbereiche unterdrücken, lassen sich Masken erstellen, die mit dem Magnitudenbild multipliziert zu einer Unterdrückung des homogenen Teils des Bildes führen, während die Intensität der phasenverschobenen Pixel erhalten bleibt. Die zweite Nachbearbeitungstechnik verwendet die Eigenschaften des k-Raums, um mit Hilfe eines Rohdatenfilters homogene Bereiche im resultierenden Magnitudenbild zu unterdrücken. Um Artefakte bei der Fouriertransformation zu vermeiden, darf der Filter dabei keine Kanten oder Sprünge haben, weswegen ein zweidimensionaler Kosinusfilter (Hanning) verwendet wurde. Um statistisches Rauschen und unvollständig unterdrückte, homogene Anteile im resultierenden Bild zu eliminieren, muss das gefilterte Magnitudenbild mit einem Schwellenwert versehen werden, der niedrige Intensitäten auf null setzt. Das so gewonnene Bild wird wiederum als Maske verwendet, und mit dem ursprünglichen Magnitudenbild multipliziert. Das resultierende Bild zeigt somit hohe Intensitäten im Bereich der Suszeptibilitäten bei einer vollständigen Unterdrückung der homogenen Anteile. Die entwickelten Nachbearbeitungstechniken wurden an Agar-Phantomen sowie an tierischen Gewebeproben und an unterschiedlichen Geweben an Probanden bei 1.5 und 3 Tesla Feldstärke ausgewertet. Dabei zeigte sich, dass die Verwendung von tierischen Gewebeproben für die Bildgebung von Suszeptibilitäten mit positivem Kontrast kritisch ist, da diese, selbst in einem Wasserbad gelagert, eine Vielzahl von Lufteinschlüssen beinhalten. Um den Einfluss der entwickelten Methoden auf homogenes Gewebe und dessen mögliche Unterdrückung zu untersuchen, wurden Schnittbilder an verschiedenen Körperteilen, bei gesunden Probanden, aufgenommen und ausgewertet. Der Vergleich mit dem Phantom zeigte, dass bei geeigneter Wahl der Parameter, also vollständiger Unterdrückung der unterschiedlichen Gewebe, Zellkonzentration von 1000 Zellen / 20 μt eindeutig dargestellt werden könnten. Eine Verdoppelung der Feldstärke von 1.5 zu 3 Tesla zeigte keine großen Vorteile im Bezug auf die Sensitivität gegenüber der SPIO-Partikel, da die Magnetisierung der Partikel bei 1.5 Tesla bereits gesättigt ist. Vor allem im Bereich von natürlichen dia- oder paramagnetischen Anteilen im Gewebe kann die Differenzierung von SPIO-Partikeln bei 3 Tesla sogar maskiert werden. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Empfindlichkeit beider Methoden gegenüber kleinster Feldstörungen, hervorgerufen durch Suszeptibilitäten, bei gleichzeitiger Unterdrückung der homogenen Bereiche. Durch die hohe Flexibilität, sowohl bei der Wahl der Sequenzparameter, als auch bei der Wahl der Nachbearbeitungsparameter, lassen sich gewebespezifische Inhomogenitäten ausblenden, wodurch eine sichere Detektierung von SPIO beladenen Zellen in-vitro möglich war.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 90. Deutscher Röntgenkongress, Berlin 2009. Nachweis von mit Eisenoxid (SPIO) markierten Zellen in einem Ganzkörper-MRT bei 1.5 Tesla mit Positivem Kontrast
F Eibofner, F Schick, CD Claussen
- ESMRMB 2009, Antalya. Positive contrast imaging of iron-oxide nanoparticles by application of a raw-data filter
F. Eibofner, G. Steidle, R. Kehlbach, R. Banfleon, F. Schick
- Magn Reson Med: "Positive Contrast Imaging of Iron-Oxide Nanoparticles with Susceptibility Weighted Imaging"
Frank Eibofner, Günter Steidle, Rainer Kehlbach, Rüdiger Bantleon, Fritz Schick
