Magnetresonanztomographische Bestimmung zerebraler Parameter von gesundem Hirngewebe und Hirntumoren in Tierexperimenten und klinischen Untersuchungen
Final Report Abstract
Aufgrund der Korrelation zwischen der histopathologischen Klassifikation eines Tumors und dessen Ansprechen auf Therapie mit dessen metabolischen und mikrovaskulären Eigenschaften des Tumorgewebes wäre eine genaue nicht invasive radiologische Charakterisierung dieser Tumorgewebseigenschaften (Metabolismus, Hypoxie, Vaskularisierung) höchst hilfreich um den Behandlungserfolg a priori zuverlässig einzuschätzen und therapie-entscheidende Maßnahmen so früh wie möglich einleiten zu können. Die in dieser Hinsicht geeigneten, mittels MRT erfassbaren, physiologischen Parameter, können nichtinvasiv mittels Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD)-MRT Methoden aus der venösen Sauerstoffsättigung und der Blutversorgung (Perfusion) des Gewebes mittels Arterial Spin Labeling (ASL)-MRT indirekt erfasst werden. Ziel des Projektes war es diese nur indirekt erfassbaren Vitalparameter mit invasiven aber direkten Mikrosondenmessungen zu vergleichen und zu validieren. Die MRT- und Mikrosondenmessungen wurden zuerst im gesunden Mäusehirn etabliert und optimiert. Um einen breiteren Bereich der Vitalparameter als unter Normalbedingung (Luftatmung) zu erfassen, wurde zusätzlich die zerebrale Perfusion sowie der Sauerstoffgehalt durch die Gabe von Luft+10%CO2 (Hypercapnia) oder 100%O2 (Hyperoxia) moduliert. Weiterhin wurden die Messungen an einem Hirntumor-Mausmodell durchgeführt, um die Ergebnisse der MRT-Methoden im kranken, tumorösen Gewebe zu validieren. Zuletzt wurden die validierten MRT-Methoden in einem klinischen MRT-Gerät für die Messung von Hirntumorpatienten implementiert um eine Aussage über die Vitalparameter des Tumorgewebes treffen zu können. Die mit den MRT-Methoden erfassten Tumor-Vitalparameter können später mit dem Outcome oder der Therapieresponse der Patienten korreliert werden. In den Mausexperimenten änderten sich die mittels MRT und Mikrosonden erfassten Vitalparameter wie erwartet mit den unterschiedlichen Atemgasbedingungen. Für die perfusions-sensitiven Vitalparameter zeigte sich eine gute Korrelation zwischen den MRT- und Mikrosondenmessungen. Es zeigte sich aber nur eine schwache Korrelation zwischen den blutoxygenierungssensitiven (BOLD) MRT-Messungen und der mittels Mikrosonde erfassten Gewebsoxygenierung (pO2). Zusätzlich zeigten die Tumormäuse eine niedrigere Blutperfusion im Tumor sowie eine höhere Variabilität der erfassten Vitalparameter als im Verglich zu den gesunden Mäusen, was die Korrelation zwischen den Erfassungsmethoden weiter schwächte. Diese schwache Korrelation lässt auf keine hinreichend gute Übereinstimmung der BOLD-MRT- und pO2-Mikrosondenmessung schließen. Dies wird besonders bei der anfänglichen niedrigen fast hypoxischen pO2 (<10mmHg) während Lutfatmung deutlich, wo die BOLD-MRT-Methoden nur einen moderat erniedrigten venösen Sauerstoffsättigungswert von (~40-50%) zeigen. Somit lässt sich feststellen, dass BOLD MRT-Methoden für die Erfassung des Gewebssauerstoffgehalts (pO2) und damit möglicher Hypoxie ungeeignet sind bzw. bei einer venösen zerebralen Blutsauerstoffsättigung von unter 50% eine Hypoxie nicht ausgeschlossen werden kann. In der histologischen Untersuchung zeigte sich eine ungeordnete Konfiguration der intratumoralen Blutgefäße, was eine Erklärung für die verminderte Blutperfusion im Tumorzentrum sein kann. Weiterhin, weist der gefundene gestörte Vascular Smooth Muscle Cells/Perizyten-Endothelzellkontakt auf eine gestörte Kontraktilität der Blutgefäße hin, welche die erhöhte Variabilität der MRT- und Mikrosondenmessungen der Tumormäuse erklären könnte.
Publications
- Calibration of Cerebral Blood Oxygenation and Perfusion MR Imaging in Mice by Invasive Micro Probe Measurements. Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 2013;21:3039
Sedlacik J, Reitz M, Bolar D, Adalsteinsson E, Schmidt NO, Fiehler J
- Correlation of oxygenation and perfusion sensitive MRI with invasive micro probe measurements in healthy mice brain. Z Med Phys. 2014 Mar 10
Sedlacik J, Reitz M, Bolar DS, Adalsteinsson E, Schmidt NO, Fiehler J
(See online at https://doi.org/10.1016/j.zemedi.2014.01.004) - Reversible, irreversible and effective transverse relaxation rates in normal aging brain at 3T. Neuroimage. 2014 Jan1;84:1032-41
Sedlacik J, Boelmans K, Löbel U, Holst B, Siemonsen S, Fiehler J
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.08.051) - Validation of Oxygenation and Perfusion Sensitive MRI Methods in Healthy Brain and Brain Tumor in Mice by Invasive Micro Probe Measurements. Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 2014;22:4012
Sedlacik J, Reitz M, Schmidt NO, Fiehler J
