Es gibt viele verschiedene Modalitäten, die für die nichtinvasive molekulare Bildgebung verwendet werden können. Jede hat ihre eigenen Stärken und Schwächen, und einige eignen sich besser für die Darstellung mehrerer Ziele als andere.
MagnetresonanztomographieBearbeiten
Die MRT hat den Vorteil, dass sie eine sehr hohe räumliche Auflösung hat und sehr gut für die morphologische und funktionelle Bildgebung geeignet ist. Die MRT hat jedoch auch einige Nachteile. Erstens hat die MRT eine Empfindlichkeit von etwa 10-3 mol/L bis 10-5 mol/L, was im Vergleich zu anderen Arten der Bildgebung sehr einschränkend sein kann. Dieses Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass der Unterschied zwischen Atomen im hochenergetischen Zustand und im niederenergetischen Zustand sehr gering ist. Bei 1,5 Tesla, einer für die klinische MRT typischen Feldstärke, beträgt der Unterschied zwischen hoch- und niederenergetischen Zuständen beispielsweise etwa 9 Moleküle pro 2 Millionen. Zu den Verbesserungen zur Steigerung der MR-Empfindlichkeit gehören die Erhöhung der Magnetfeldstärke und die Hyperpolarisierung durch optisches Pumpen, dynamische Kernpolarisierung oder durch Parawasserstoff induzierte Polarisierung. Es gibt auch eine Reihe von Signalverstärkungsschemata, die auf chemischem Austausch beruhen und die Empfindlichkeit erhöhen.
Um eine molekulare Bildgebung von Krankheits-Biomarkern mittels MRT zu erreichen, sind gezielte MRT-Kontrastmittel mit hoher Spezifität und hoher Relaxivität (Empfindlichkeit) erforderlich. Bislang wurden viele Studien zur Entwicklung gezielter MRT-Kontrastmittel für die molekulare Bildgebung mittels MRT durchgeführt. In der Regel wurden Peptide, Antikörper oder kleine Liganden und kleine Proteindomänen, wie HER-2-Affibodies, zur Erreichung des Ziels eingesetzt. Um die Empfindlichkeit der Kontrastmittel zu erhöhen, werden diese zielgerichteten Einheiten in der Regel mit MRI-Kontrastmitteln mit hoher Nutzlast oder mit MRI-Kontrastmitteln mit hoher Relaxivität verbunden. Insbesondere die jüngste Entwicklung von mikroskopisch kleinen Eisenoxidpartikeln (MPIO) ermöglichte es, eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit für den Nachweis von Proteinen in Arterien und Venen zu erreichen.
Optische BildgebungBearbeiten
Es gibt eine Reihe von Ansätzen für die optische Bildgebung. Die verschiedenen Methoden beruhen auf Fluoreszenz, Biolumineszenz, Absorption oder Reflexion als Kontrastquelle.
Die wertvollste Eigenschaft der optischen Bildgebung ist, dass sie und Ultraschall keine großen Sicherheitsbedenken wie die anderen medizinischen Bildgebungsmodalitäten haben.
Der Nachteil der optischen Bildgebung ist die mangelnde Eindringtiefe, insbesondere bei sichtbaren Wellenlängen. Die Eindringtiefe hängt mit der Absorption und Streuung des Lichts zusammen, die hauptsächlich von der Wellenlänge der Anregungsquelle abhängt. Licht wird von endogenen Chromophoren absorbiert, die in lebendem Gewebe vorkommen (z. B. Hämoglobin, Melanin und Lipide). Im Allgemeinen nimmt die Lichtabsorption und -streuung mit zunehmender Wellenlänge ab. Unterhalb von ~700 nm (z. B. bei sichtbaren Wellenlängen) führen diese Effekte zu einer geringen Eindringtiefe von nur wenigen Millimetern. Daher ist im sichtbaren Bereich des Spektrums nur eine oberflächliche Beurteilung von Gewebemerkmalen möglich. Oberhalb von 900 nm kann die Wasserabsorption das Signal-Hintergrund-Verhältnis beeinträchtigen. Da der Absorptionskoeffizient von Gewebe im nahen Infrarot (NIR) (700-900 nm) wesentlich geringer ist, kann das Licht tiefer eindringen, bis zu einer Tiefe von mehreren Zentimetern.
Bildgebung im nahen InfrarotBearbeiten
Fluoreszierende Sonden und Etiketten sind ein wichtiges Instrument für die optische Bildgebung. Einige Forscher haben die NIR-Bildgebung im Rattenmodell des akuten Myokardinfarkts (AMI) angewandt und dabei eine Peptidsonde verwendet, die sich an apoptotische und nekrotische Zellen binden kann. Eine Reihe von Fluorophoren im nahen Infrarot (NIR) wurden für die In-vivo-Bildgebung eingesetzt, darunter Kodak X-SIGHT Dyes and Conjugates, Pz 247, DyLight 750 und 800 Fluors, Cy 5.5 und 7 Fluors, Alexa Fluor 680 und 750 Dyes, IRDye 680 und 800CW Fluors. Quantenpunkte haben mit ihrer Photostabilität und ihren hellen Emissionen großes Interesse geweckt; ihre Größe verhindert jedoch eine effiziente Ausscheidung aus dem Kreislauf- und Nierensystem, während sie eine langfristige Toxizität aufweisen.
In mehreren Studien wurde die Verwendung von mit Infrarot-Farbstoffen markierten Sonden für die optische Bildgebung nachgewiesen.
- In einem Vergleich von Gammaszintigraphie und NIR-Bildgebung wurde ein Cyclopentapeptid, das mit 111
In und einem NIR-Fluorophor zweifach markiert ist, zur Abbildung von αvβ3-Integrin-positiven Melanom-Xenografts verwendet. - Nahinfrarot-markiertes RGD, das auf αvβ3-Integrin abzielt, wurde in zahlreichen Studien verwendet, um eine Vielzahl von Krebsarten anzugehen.
- Ein NIR-Fluorophor wurde mit dem epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) konjugiert, um die Tumorprogression abzubilden.
- Ein NIR-Fluorophor wurde mit Cy5.5 verglichen, was darauf hindeutet, dass Farbstoffe mit längerer Wellenlänge effektivere Targeting-Agenten für die optische Bildgebung ergeben können.
- Pamidronat wurde mit einem NIR-Fluorophor markiert und als bildgebendes Mittel für Knochen verwendet, um die osteoblastische Aktivität in einem lebenden Tier zu erkennen.
- Ein mit einem NIR-Fluorophor markiertes GPI, ein potenter Inhibitor von PSMA (prostataspezifisches Membranantigen).
- Verwendung von humanem Serumalbumin, das mit einem NIR-Fluorophor markiert ist, als Tracking-Mittel für die Kartierung von Sentinel-Lymphknoten.
- Mit einem NIR-Fluorophor markierte 2-Deoxy-D-Glucose.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Zusatz einer NIR-Sonde zu einem Vektor die Biokompatibilität und die biologische Verteilung des Vektors verändern kann. Daher kann nicht eindeutig davon ausgegangen werden, dass sich der konjugierte Vektor ähnlich wie die native Form verhält.
Einzelphotonen-Emissions-ComputertomographieBearbeiten
Die Entwicklung der Computertomographie in den 1970er Jahren ermöglichte die Darstellung der Verteilung der Radioisotope im Organ oder Gewebe und führte zu der heute als Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) bezeichneten Technik.
Das bei SPECT verwendete Kontrastmittel sendet Gammastrahlen aus, im Gegensatz zu den Positronenstrahlern (wie 18
F), die bei PET verwendet werden. Es gibt eine Reihe von Radiotracern (wie 99m
Tc, 111
In, 123
I, 201
Tl), die je nach spezifischer Anwendung verwendet werden können.
Xenon (133
Xe) ist ein solcher Radiotracer. Es hat sich als wertvoll für diagnostische Inhalationsstudien zur Bewertung der Lungenfunktion und für die Bildgebung der Lunge erwiesen und kann auch zur Bewertung des rCBF verwendet werden. Der Nachweis dieses Gases erfolgt mit einer Gammakamera, einem Szintillationsdetektor, der aus einem Kollimator, einem NaI-Kristall und einer Reihe von Photomultipliern besteht.
Durch Drehen der Gammakamera um den Patienten kann mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion oder anderer tomographischer Techniken ein dreidimensionales Bild der Verteilung des Radiotracers gewonnen werden. Die in der SPECT verwendeten Radioisotope haben eine relativ lange Halbwertszeit (einige Stunden bis einige Tage), so dass sie leicht und relativ billig herzustellen sind. Dies ist der Hauptvorteil von SPECT als molekulare Bildgebungstechnik, da sie deutlich billiger ist als PET oder fMRI. Allerdings fehlt es ihr an einer guten räumlichen (d. h., wo genau sich das Teilchen befindet) oder zeitlichen (d. h., ist das Kontrastmittelsignal in dieser oder jener Millisekunde aufgetreten) Auflösung. Darüber hinaus gibt es aufgrund der Radioaktivität des Kontrastmittels Sicherheitsaspekte bezüglich der Verabreichung von Radioisotopen an den Probanden, insbesondere bei Serienuntersuchungen.
Positronen-Emissions-TomographieBearbeiten
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Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein nuklearmedizinisches Bildgebungsverfahren, das ein dreidimensionales Bild oder eine Abbildung funktioneller Prozesse im Körper erzeugt. Die Theorie hinter der PET ist denkbar einfach. Zunächst wird ein Molekül mit einem Positronen emittierenden Isotop markiert. Diese Positronen annihilieren mit Elektronen in der Nähe und senden zwei 511 keV-Photonen aus, die um 180 Grad in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Diese Photonen werden dann vom Scanner erfasst, der die Dichte der Positronenannihilation in einem bestimmten Gebiet abschätzen kann. Wenn genügend Wechselwirkungen und Annihilationen stattgefunden haben, kann die Dichte des ursprünglichen Moleküls in diesem Bereich gemessen werden. Typische Isotope sind 11
C, 13
N, 15
O, 18
F, 64
Cu, 62
Cu, 124
I, 76
Br, 82
Rb, 89
Zr und 68
Ga, wobei 18
F am häufigsten klinisch verwendet wird. Einer der größten Nachteile der PET ist, dass die meisten Sonden mit einem Zyklotron hergestellt werden müssen. Die meisten dieser Sonden haben außerdem eine in Stunden gemessene Halbwertszeit, so dass das Zyklotron vor Ort sein muss. Diese Faktoren können die PET zu einem unerschwinglichen Kostenfaktor machen. Die PET-Bildgebung hat jedoch viele Vorteile. An erster Stelle steht ihre Empfindlichkeit: Ein typischer PET-Scanner kann Konzentrationen von 10-11 mol/L bis 10-12 mol/L nachweisen.