Universität Heidelberg

AG Experimentelle Neuroradiologie und präklinische Bildgebung

Schwerpunkte der seit 2007 bestehenden Arbeitsgruppe für Präklinische Bildgebung und Experimentelle Neuroradiologie sind neben der MR- und CT-basierten Kleintierbildgebung die experimentelle molekulare Bildgebung sowie verschiedene Aspekte der Neuroonkologie. Die AG kooperiert insbesondere im Bereich der Bildgebung mit den verschiedenen Forschungsgruppen und stellt einen der Cluster des Forschungsschwerpunktes (FSP) Onkologie der Medizinischen Fakultät Mannheim.

 

Für die experimentelle und Kleintierbildgebung wird ein Volumen-CT (Yxlon Y.Fox) eingesetzt (Abbildung 1), welches aufgrund der Möglichkeit der flexiblen Positionierung des zu untersuchenden

ABB 1 Objektes im Strahlengang extrem hohe geometrische Vergrößerungen und damit in Abhängigkeit von der Größe des Untersuchungsobjektes eine sehr hohe Auflösung bis in den einstelligen Mikrometerbereich erlaubt.

Abbildung 1: Kabine des Y.Fox-µCT mit Strahlenschutzfenster und Bedieneinheit. Dimensionen: 1,7m x 1,5m x 2,1m bei 2,6 Tonnen Gesamtgewicht.

 

 

Durch die Etablierung eines schnellen Untersuchungsprotokolls (QuickScan) können CT-Aufnahmen mit bis zu 1200 Projektionen bei einer Untersuchungszeit von 40 Sekunden durchgeführt werden. Proportional kürzere Untersuchungszeiten sind bei reduzierter Anzahl der Projektionen ebenfalls möglich. Das Untersuchungsprotokoll erlaubt beispielsweise hochauflösende Aufnahmen der Hirngefäße der Maus bei einer isotropen Voxelgröße von 16 µm innerhalb von 40 Sekunden (Abbildungen 2 und 3).

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Abbildung 2: Maximum-Intensitäts-Projektion (MIP) der Hirngefäße einer BALBc- Maus. A: Curved MIP mit Ausrichtung an der A. carotis interna, welche dadurch in der Rekonstruktion gestreckt zur Darstellung kommt und beim Durchtritt durch die knöcherne Schädelbasis gut zu beurteilen ist. B: typische Gefäßversorgung in BALBc-Mäusen mit einer beidseits kräftigen A. communicans posterior (PcomA), welche von der A. cerebri posterior (PCA) ausgehend die A. cerebelli superior (SCA) versorgt. C: In der sagittal rekonstruierten MIP ist das unpaarig angelegte A2- Segment der A. cerebri anterior (azACA) getroffen, welche sich in die A. pericallosa azygos (azPA) fortsetzt. Die kleinsten aus der azPA nach cranial abgehenden Gefäße mit einem Durchmesser von ca. 50 µm sind in besonderem Maße erwähnenswert. µCTA-Scanparameter: 180° Rotation, 40 Sekunden Scanzeit, 1200 Projektionen, Isotrope Voxel-Größe 22 µm.

 

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Abbildung 3: A: Anatomie der extracraniellen Arterien einer C57BL/6 Maus in der in vivo CTA Volume Rendering; caudo-rostrale Ansicht): Die Arteria carotis communis (CCA) teilt sich in die Arteria carotis interna (ICA) und die Arteria carotis externa (ECA). Die Arteria stapedis (SA) entspringt proximal aus der ICA. Die Arteria occipitalis (OA) und die Arteria lingualis (LA) entspringen aus der proximalen ECA. Die ECA teilt sich in die Arteria temporalis superficialis (STA) und die Arteria facialis (FA). Die STA gibt die Arteria auricularis caudalis (CAA) ab. B: Anatomie der großen extracraniellen Venen einer C57BL/6 Maus. Die Vena supraorbitalis (SOV) drainiert in die Vena temporalis superficialis (STV), welche wiederum in die Vena jugularis externa (EJV) drainiert.

 

Akute Veränderungen der Weite der Hirnbasisarterien lassen sich ebenfalls analysieren. Die Verwendung von sog. Blood-pool Kontrastmitteln (Fenestra VC) mit längerer Zirkulationszeit erlaubt auch die Darstellung der abdominellen vaskulären Strukturen (Abbildung 4).

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Abbildung 4: Micro-CTA der vaskulären Strukturen nach Gabe von Fenestra VC (Untersuchungsdauer: 40 Sekunden)

 

Ein weiterer Vorteil des Volumen-CT gegenüber Geräten mit Detektorzeilen ist die Möglichkeit, hochauflösende digitale Subtraktionsangiographien z.B. der Hirngefäße anzufertigen (Abbildung 5).

ABB 4 Abbildung 5: Einsatz des Volumen-CT für die digitale Subtraktionsangiographie (DSA) der cerebralen Arterien der Ratte.

 

Neben Fragestellungen zum Gefäßstatus werden auch onkologische Fragestellungen bearbeitet, wie z.B. die Visualisierung von kleinsten Lebermetastasen bei Mäusen nach Applikation eines leberspezifischen iodhaltigen Kontrastmittels (Fenestra LC; Abbildung 6), oder die non-invasive Darstellung von Darmpolypen in APCmin-Mäusen mittels virtueller Koloskopie.

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Abbildung 6: Identifikation kleinster Lebermetastasen (Pfeile) in der Maus nach Gabe eines leberspezifischen Röntgenkontrastmittels (Fenestra LC).

 

Obwohl das Volumen-CT derzeit über keine integrierte Hardware für das Gating von frei atmenden Tieren verfügt, lassen sich dennoch hochauflösende Untersuchungen der Lunge und des Herzens mittels Breathhold-Technik nach Intubation (Abbildung 7) sowie durch intrinsisches retrospektives Gating (Abbildung 8) durchführen.

ABB 7: Mikro-CT des Thorax und des oberen Abdomens
Abbildung 7: Mikro-CT des Thorax und des oberen Abdomens (190° Rotation; 1200 Projektionen; 80 kV; 37.5 µA; Voxelgröße 39 x 39 x 50 µm) nach i.v.-Kontrastmittelapplikation (Fenestra VC). Die Bildqualität ist in single-breath-hold-Technik (B,C,E und F) im Vergleich zum atemenden Tier (100 Atemzüge/Minute; A und D) deutlich verbessert. Die single-breath-hold-Technik erlaubt dabei eine ultraschnelle Mikro-CT mit Untersuchungszeiten von deutlich unter einer Minute (B+E: 20 Sekunden; C+F: 40 Sekunden Scanzeit).

 

ABB 8: Kardiothorakale in vivo-µCT in der Maus
Abbildung 8: Kardiothorakale in vivo-µCT in der Maus nach intrinsischem respiratorischen und intrinsischem kardialen Gating. Nach entsprechender Auswertung und Rekonstruktion der den einzelnen Herz- und Atemphasen zugeordneten Projektionen zeigt der short axis view das Herz in endsystolischer (A) und enddiastolischer Phase (B). So wird die Auswertung funktioneller Parameter wie z.B. der Ejektionsfraktion oder Dicke des Myokards möglich. C: Das intrinsische respiratorische Gating ermöglicht auch die Darstellung der Lunge (grün) und des Bronchialbaumes (rot) bei der lebenden Maus. D zeigt einen Long axis view durch das Herz einer Maus in enddiastolischer Phase. Die aus dem Aortenbogen (AA) abgehenden brachiocervicalen Gefäße sind in ihrem proximalen Anteil ebenfalls mit erfasst.

 

Neben dem Volumen-CT hat die AG Zugriff auf ein hochmodernes 9.4T Kleintier-MRT (Bruker BioSpec 94/20), welches als eines der derzeit wenigen Geräte in Europa über eine Kryospulentechnologie verfügt. Die enge Kooperation mit den Physikern des CKM (Prof. Dr. L. Schad) der Medizinischen Fakultät Mannheim ermöglicht den optimalen Einsatz der vorhandenen Methoden und die Etablierung neuer Ansätze der Bildgebung. Ein besonderer Vorteil der Hochfeld-MRT liegt in der hohen SNR, welche durch den Einsatz der Kryospule maximal verdoppelt werden kann. Daher eignet sich die Technik hervorragend für die verschiedensten Fragestellungen wie z.B. in der Tumorforschung oder Bildgebung von pathologischen Prozessen der Hirngefäße (Abbildung 9). Die Bildgebung von Kleintieren erlaubt bei minimaler Belastung der Tiere die longitudinale Beobachtung von Krankheitsprozessen im Rahmen von Studien, die Testung der Wirksamkeit neuer Medikamente, und erlaubt gleichzeitig die Zahl der notwendigen Tiere zu reduzieren.

Abb 9: In vivo ToF MR-angiography einer C57/BL6 Maus

Abbildung 9: In vivo ToF MR-angiography einer C57/BL6 Maus. Auflösung: 31x31x94 µm bei Verwendung einer Kryospule (TA: 49 Min.). A) (MCA) middle cerebral artery, (LCB)lLong cortical branch of SCA, (SCA) superior cerebellar artery, (PICA) posterior inferior cerebellar artery, (BA) basilar artery, (AICA) anterior inferior cerebellar artery, (VA) vertebral artery, (ICA) internal carotid artery, (ECA) external carotid artery. B) medial mesencephalic artery (MMA). Medial pontine arteries (MPA), basilar artery (BA). C) Einzelne Äste der MCA.

 

Neben der präklinischen Bildgebung liegt ein weiterer Schwerpunkt der AG im Bereich der neuroonkologischen Forschung. Hier haben wir die in den letzten Jahren von verschiedenen anderen Arbeitsgruppen diskutierte Möglichkeit einer Interaktion zwischen Blutplättchen (Thrombozyten) und Tumorwachstum bzw. Tumorangiogenese untersucht. Die Arbeiten basieren a) auf der Hypothese, daß von Plättchen sezernierten Wachstumsfaktoren das Tumorwachstum und die Tumorangiogenese steigern (Abbildung 10) und b) auf der Beobachtung, daß bei einer Vielzahl von soliden Malignomen eine zum Zeitpunkt der Diagnose erhöhte Plättchenzahl mit einer signifikant verkürzten Überlebenszeit einher geht.

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Abbildung 10: Hypothese der Tumor-Plättchen-Interaktion (aus Pinedo, Verheul, D’Amato, and Folkman. Lancet 1998; 352: 1775-77)

 

In unseren initialen Untersuchungen konnten wir eine signifikant verkürzte Überlebenszeit von Glioblastompatienten mit präoperativer Thrombozytose nachweisen. Hier stellt sich die Frage, ob bestimmte Tumoren mehr Zytokine produzieren, welche die Thrombozytose anregen, oder ob höhere Plättchenzahlen das Tumorwachstum und die Tumorangiogenese anregen. Ebenfalls besteht die Möglichkeit eines circulus vitiosus, in welchem Tumoren zu einer Steigerung der Plättchenzahl beitragen, welche dann wiederum das Tumorwachstum positiv beeinflussen.

In unseren weiteren Arbeiten konnten wir zeigen, daß an einem Glioblastom erkrankte Patienten zu früheren Zeitpunkten normale Plättchenzahlen aufweisen und erst zum Zeitpunkt der Diagnosestellung die durchschnittliche Plättchenzahl erhöht ist.

Unsere aktuellsten Arbeiten zeigen erwartungsgemäß, daß die von aktivierten Plättchen sezernierten Zytokine eine Steigerung der Migration und Proliferation von Glioblastom- und Endothelzelllinien in vitro bewirken. Bemerkenswert ist jedoch die Feststellung, daß die gezielte Reduktion von Plättchenzahlen in tumortragenden Mäusen in unseren Experimenten keinen Effekt auf das Tumorvolumen, die Proliferationsrate (MIB1), oder die Gefäßdichte (CD31) hat. Diese Feststellung ist konträr zu anderen Studien, in welchen jedoch der Einfluß der Plättchendepletion auf die Angiogenese nicht in Tumormodellen untersucht worden ist. Unterstützt wird unser Ergebnis durch die Beobachtung, daß wir keine Korrelation zwischen Gefäßdichte in resezierten Glioblastomen und Plättchenzahl bei den entsprechenden Patienten beobachten konnten.
Diese zu den anderen Gruppen teilweise widersprüchlichen Ergebnisse sind somit auch Grundlage für unsere weiteren Forschungen auf dem Gebiet der Neuroonkologie. Zur Klärung der Relevanz der Tumor-Plättchen-Interaktion sind derzeit Projekte aus dem Bereich der molekularen Bildgebung geplant.

- Prof. Dr. med. M. A. Brockmann, MSc -


 

 

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