Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung

Kombination von invasiven und nichtinvasiven Methoden zur Entschlüsselung einer Krankheit

Autoren
Backes, Heiko
Abteilungen
Arbeitsgruppe: Medizinphysik

Zusammenfassung
Die Entwicklung intelligenter Therapien erfordert die detaillierte Analyse einer Krankheit. Am Beispiel des Hirninfarkts bzw. Schlaganfalls werden im Experiment nichtinvasive Methoden, wie die quantitative und klinisch anwendbare Positronen-Emissions-Tomographie (PET), und invasive optische Methoden, wie Laser-Speckle-Imaging und Oxymetrie, kombiniert, um komplizierte Wechselwirkungen der hervorgerufenen Effekte zu entschlüsseln und relevante diagnostische Parameter zu identifizieren.

Hintergrund

Die Entwicklung geeigneter Therapien zur Behandlung von Krankheiten erfordert die Kenntnis von Ursachen und Verlauf. Im Falle eines ischämischen Hirninfarkts ist die Ursache einfach: Durch den Verschluss eines Blutgefäßes wird die verbundene Hirnregion nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Die sich anschließende Kaskade von Reaktionen ist allerdings sehr komplex und reicht von Prozessen, die innerhalb von Sekunden ablaufen, bis hin zu Entwicklungen, die sich über Monate erstrecken. Um das Zusammenspiel der unterschiedlichen Prozesse zu verstehen, werden im Experiment verschiedene Messmethoden miteinander kombiniert, zum einen, um ein möglichst vollständiges Bild über die Abläufe zu bekommen, zum anderen, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse einer Methode durch eine andere zu überprüfen. Im Fokus stehen dabei besonders nichtinvasive Methoden, die vom Experiment auf den Patienten übertragbar sind, wie zum Beispiel die Positronen-Emissions-Tomographie (PET).

Nichtinvasive Bildgebung mit PET

Die Positronen-Emissions-Tomographie PET ist ein Bildgebungsverfahren, bei dem dem Patienten vor der eigentlichen Messung im Tomographen ein sogenannter Radiotracer injiziert wird. Diese radioaktive Substanz besteht aus Molekülen, die mit einem Positronen emittierenden Nuklid markiert sind. Je nachdem, welcher Radiotracer verwendet wird, können mit der PET unterschiedliche Funktionen untersucht und darüber hinaus quantitativ erfasst werden. Da diese nichtinvasive Methode sowohl im Labor als auch in der Klinik angewendet wird, können experimentell gewonnene Erkenntnisse auf klinische Anwendungen übertragen werden.

Anwendung der PET im Experiment

Die Anwendung der PET bei Mäusen oder Ratten erfordert gewisse Anpassungen der methodischen Vorgehensweise. So ist die Bestimmung der Menge des Radiotracers im Blut während der gesamten Messzeit eine Voraussetzung für die Quantifizierung, also die Umwandlung der PET-Daten in absolute Messgrößen. Mit dieser sogenannten Input-Funktion werden die PET-Bilder dann mithilfe eines Radiotracer-spezifischen kinetischen Modells in physiologische Messgrößen umgewandelt. Die Input-Funktion wird normalerweise durch die  Entnahme von Blutproben während der PET-Messung bestimmt. Allerdings ist die erforderliche Blutmenge beim Kleintier relativ zum gesamten Blutvolumen im Körper so groß, dass sich diese Methode nicht für Langzeituntersuchungen von individuellen Tieren eignet. Daher wird oft die  Anreicherung des Radiotracers als Maß für die zu bestimmende Größe genommen. Man bezeichnet diese Methode  als semiquantitativ. Alternativ wurde nun ein Verfahren zur Messung des lokalen Glukoseverbrauchs (mit 18F-Fluordesoxyglucose (FDG) als Radiotracer) im Gehirn von Ratten entwickelt, bei dem die Input-Funktion indirekt aus den PET-Daten der Wurzelregion der Schnurrhaare berechnet wird [1]. Diese Region hat einen relativ hohen Anteil an arteriellem Blut und ist außerdem unabhängig vom Hirnstoffwechsel (Abb. 1A).

PET bei experimentellem Schlaganfall

Die erste Anwendung bei Ratten mit einem akuten Schlaganfall brachte interessante Erkenntnisse: So wurde unter anderem gezeigt, dass die semiquantitative Methode im vom Schlaganfall betroffenen Gebiet zu falschen Ergebnissen führen kann und daher die kinetische Modellierung für die Quantifizierung des pathologischen Gebietes unerlässlich ist – eine Schlussfolgerung, die direkt auf die Messung am Patienten übertragbar ist. Aus Gründen der einfacheren Prozedur werden im klinischen Alltag oft semiquantitative Verfahren zur Auswertung von FDG-PET-Daten benutzt. Im pathologischen Gebiet kann das zu falschen Werten des Glukosestoffwechsels führen. Wie im Experiment gezeigt wurde, würde die kinetische Modellierung der PET-Daten hier Sicherheit bringen (Abb. 1D).

FDG-PET zur Diagnose des akuten Schlaganfalls

In einer nachfolgenden Studie wurde die frühe Entwicklung des Schlaganfalls nach embolischem Verschluss der mittleren Zerebralarterie von Ratten mithilfe von aufeinanderfolgenden 15O-H2O-PET-Messungen zur Bestimmung der lokalen Durchblutung und anschließender Messung des Glukoseverbrauchs mit FDG-PET untersucht [2].  15O-H2O ist ein Tracer mit einer Halbwertszeit von zwei Minuten, eignet sich daher für kurz aufeinanderfolgende Messungen. Die Ergebnisse zeigten zum einen, dass es eine frühe Dynamik  nach dem Verschluss gibt, die aber nach weniger als 30 Minuten zu einem Zustand führt, der sich über Stunden hinweg langsam verändert. Zum anderen eröffnete die Studie das große Potenzial von FDG-PET zur Untersuchung von akutem ischämischen Gewebe.  Verminderungen im lokalen Blutfluss zeigten eine Verringerung eines kinetischen Parameters von FDG (Abb. 2A). Darüber hinaus konnte das vom Schlaganfall betroffene Gebiet unterteilt werden in eine Kernregion und eine Region, die trotz des verminderten Blutflusses einen normalen Glukoseverbrauch zeigt (Abb. 2B). Dieses als Penumbra bezeichnete Gebiet konnte bisher nur mithilfe einer wesentlich aufwändigeren PET-Messung des Sauerstoffverbrauchs mit 15O-Tracern identifiziert werden und war ausschließlich den wenigen PET-Zentren vorbehalten, die über ein eigenes Zyklotron verfügen.

Die Penumbra zeichnet sich dadurch aus, dass die Reduktion des Blutflusses und damit die reduzierte Anlieferung von Sauerstoff und Nährstoffen an das Gewebe durch eine Erhöhung der Sauerstoffextraktion und, wie die neuen Ergebnisse zeigen, durch eine Erhöhung der Umsetzungsrate von Glukose ausgeglichen wird. Dadurch bleibt das Gewebe zunächst lebendig, bevor nach einigen Stunden auch dieser Teil des betroffenen Gebietes stirbt [3]. Es bleibt also ein gewisses therapeutisches Fenster. Da – im Gegensatz zu 15O-H2O – der Radiotracer FDG jedem PET-Zentrum zur Verfügung steht, ist die neue Methode zur Identifikation der Penumbra weithin klinisch einsetzbar.

Entzündung und Vermehrung endogener Stammzellen in der Folge eines Schlaganfalls

In einer PET-Studie mit Ratten konnte gezeigt werden, dass eine Woche nach dem Verschluss die Größe des vom Schlaganfall betroffenen Gebietes mit der Produktionsrate endogener Stammzellen korreliert [4]. Neuronale Stammzellen werden im Gehirn von Erwachsenen vor allem in der subventrikulären Zone und im Hippocampus gebildet. Ratten zeigten in diesen Gebieten eine erhöhte Anreicherung des PET-Radiotracers 18F-Fluor-L-Thymidin, der sich vermehrende Zellen markiert.

Ebenfalls eine Woche nach dem Verschluss zeigen Ratten eine Entzündungsreaktion in Teilen des vom Schlaganfall betroffenen Gebietes [5]. Diese wurde mithilfe des PET-Radiotracers 11C-PK-11195 nachgewiesen, der an mit Entzündungen einhergehende aktivierte Mikrogliazellen bindet. Die anschließende FDG-PET-Messung zeigte einen erhöhten Glukoseverbrauch in den entzündeten Gebieten.

Kombination von Messmethoden

Im akuten Schlaganfall werden weitere Prozesse in Gang gesetzt, die wegen ihrer hohen zeitlichen Dynamik nur begrenzt mithilfe von nichtinvasiven Verfahren untersucht werden können. So entstehen im Randgebiet der vom Schlaganfall betroffenen Region sporadische Depolarisationen, die sich wellenartig ausbreiten und wenige Minuten dauern. Die Dynamik dieser sogenannten Periinfarktdepolarisationen (PIDs) wird jedoch erst in der Anwendung von invasiven, zeitlich hochaufgelösten Bildgebungsverfahren wie Laser-Speckle-Imaging (LSI) und Oxymetrie sichtbar. Diese Methoden messen die mit PIDs einhergehenden Änderungen des Blutflusses und der Konzentration von oxygeniertem und deoxygeniertem Hämoglobin an der Kortexoberfläche.

Die simultane Kombination von invasiven und nichtinvasiven Messmethoden soll zu einem besseren Verständnis der PIDs führen. Dazu wurde eine spezielle Apparatur entwickelt, mit deren Hilfe innerhalb eines PET-Tomographen LSI, Oxymetrie und – mithilfe von Mikrodialysesonden – lokale extrazelluläre Glukose- und Laktatkonzentrationen gemessen werden können (Abb. 3). So zeigt die Kombination mit 15O-H2O-PET die Fortsetzung der Blutflussänderung von der Oberfläche in tiefere Hirnregionen, die Kombination mit FDG-PET die Auswirkung der PID auf den zellulären Energieverbrauch, die Kombination mit 11C-Leucine-PET den Einfluss der PID auf die Synthese von Proteinen. Ebenfalls untersucht wird die Beziehung von PID und Penumbra. Erst das umfangreiche Verständnis der pathologischen Prozesse kann zur Entwicklung intelligenter Therapien führen.

1.
Backes, H.; Walberer, M.; Endepols, H.; Neumaier, B.; Graf, R.; Wienhard, K.; Mies G.
Whiskers Area as Extracerebral Reference Tissue for Quantification of Rat Brain Metabolism Using 18F-FDG PET: Application to Focal Cerebral Ischemia
Journal of Nuclear Medicine 52 (8), 1252-1260 (2011)
2.
Walberer, M.; Backes, H.; Rueger, M. A.; Neumaier, B.; Endepols, H.; Hoehn, M.; Fink, G. R.; Schroeter, M.; Graf, R.
Potential of Early [18F]-2-Fluoro-2-Deoxy-d-Glucose Positron Emission Tomography for Identifying Hypoperfusion and Predicting Fate of Tissue in a Rat Embolic Stroke Model
Stroke (ePub ahead of print: DOI 10.1161)
3.
Heiss, W. D.; Graf, R.; Wienhard, K.; Löttgen, J.; Saito, R.; Fujita, T.; Rosner, G.; Wagner, R.
Dynamic penumbra demonstrated by sequential multitracer PET after middle cerebral artery occlusion in cats
Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism 14 (6), 892-902 (1994)
4.
Rueger, M. A.; Backes, H.; Walberer, M.; Neumaier, B.; Ullrich, R. T.; Simard, M.-L.; Emig, B.; Fink, G. R.; Hoehn, M.; Graf, R.; Schroeter, M.
Noninvasive imaging of endogenous neural stem cell mobilization in vivo using positron emission tomography
Journal of Neuroscience 30 (18), 6454-6460 (2010)
5.
Schroeter, M.; Rueger, M. A.; Walberer, M.; Backes, H.; Neumaier, B.; Fink, G. R.; Graf, R.
Neuroinflammation extends brain tissue at risk to vital peri-infarct tissue: a double tracer [11C]PK11195- and [18F]FDG-PET study
Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism 29 (6), 1216-1225 (2009)
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