Fluorine-19 Magnetische Resonantie Beeldvorming als een Mogelijke Tool in Preklinsche Onderzoek --- Met de Focus op Diabetes

Diabetes blijft een van de toenemende risico’s voor de gezondheid van de mens, meer dan 422 miljoen mensen hebben namelijk deze ziekte wereldwijd. Ondanks de toenemende kennis over de ziekte, preventie, vroegtijdige diagnose en verbeterde therapieën blijft het opvolgen van de ziekte voor en na toedienen van de therapie zeer noodzakelijk. Het is hierbij belangrijk om de functie en de massa van de eilandjes van Langerhans (PIs) en specifiek de bètacellen op te volgen, aangezien zij een belangrijke rol spelen in ziekteprogressie. Daarom is er veel onderzoek gebeurd om deze cellen te volgen op een kwantitatieve manier. Beeldvorming met magnetische resonantie (MRI) wordt beschouwd als een veilige (geen ioniserende straling) methode met uitstekend zacht weefselcontrast en gedetailleerde anatomische informatie. Om de sensitiviteit van MRI te verbeteren wordt er vaak een contraststof aan de cellen toegediend zodat deze gevisualiseerd kunnen worden. Dit kan in situ gebeuren na het systemisch toedienen van de contraststof of ex vivo door de cellen vooraf te labelen met een contraststof gevolgd door het transplanteren van de cellen. Recentelijk hebben fluorine gebaseerde contraststoffen de aandacht getrokken voor 19F MRI aangezien ze geen achtergrond signaal geven. Dit heeft geleid tot de eerste succesvolle toepassing van het visualiseren van immuuncellen, zoals dendritische en T cellen, voor immunotherapie. Deze vooruitgang opent ook nieuwe perspectieven voor het onderzoek naar diabetes. Het belangrijkste doel van deze PhD thesis was om bij te dragen tot de ontwikkeling en validatie van PI en bètacel labeling met verschillende fluorine-gebaseerde contraststoffen om de bestemming van deze cellen in vivo te kunnen visualiseren gebruikmakende van 19F MRI. Op basis van de eigenschappen van de contrastagentia is zowel een in situ en ex vivo labelingstrategie onderzocht.

Om de cellen in situ te labelen werd het fluorine-gelabeld D-mannoheptulose (19FMH) geëvalueerd voor zijn specificiteit voor de GLUT-2 transporter. Deze transporter komt hoog tot expressie op bètacellen en hepatocyten. Door de eigen ontwikkeling van een dubbel getunede radiofrequentie spoel konden we de distributie van 19FMH onderzoeken in vivo. Beperkt fluorine signaal werd gedetecteerd in de lever en mogelijks ook in de pancreas omdat de contraststof snel werd uitgescheiden en 19F MRI een relatief lage sensitiviteit heeft. Desondanks heeft ex vivo 19F MR-spectroscopie (MRS) aangetoond dat de contraststof voornamelijk werd opgenomen in de weefsels met hoge expressie van de GLUT-2 transporter. Deze resultaten tonen aan dat de ontwikkeling van een 18F-gelabeld FMH als een mogelijks alternatief kan dienen aangezien PET een beeldvormingsmodaliteit is met een hoge sensitiviteit. PIs en INS-1E cellen werden ex vivo gelabeld met liposomale partikels die een DiD fluorescente kleurstof en een perfluoro-5-kroonether (PFCE) bevatten voor respectievelijk fluorescentie beeldvorming en 19F MRI. Verder werden de PIs en de INS-1E cellen ook getransduceerd door een lentivirale vector (LV) om bioluminescente beeldvorming toe te laten. De protocollen voor PFCE labeling en LV transductie werden in vitro geoptimaliseerd voor PIs en INS-1E cellen om in vivo beeldvorming toe te laten zonder de levensvatbaarheid en functionaliteit van de PIs en INS-1E cellen aan te tasten. Na onderhuidse transplantatie van PIs en INS-1E konden de cellen langdurig worden opgevolgd door bovenvermelde beeldvormingsmodaliteiten en werd de haalbaarheid van het longitudinaal opvolgen van cellen door een PFCE-contraststof aangetoond. Deze multimodale beeldvormingsaanpak brengt een mogelijke oplossing om de limitaties in sensitiviteit, resolutie en specificiteit van de individuele beeldvormingstechnieken te overkomen.

De limitatie in sensitiviteit die inherent is aan 19F MRI werd ook aangepakt aan de hand van het implementeren van data-analyse tools zoals de gecomprimeerde sensing (CS) techniek, waarbij we ons focusten op de laag signaal ruis (SNR) beelden van PFCE gelabelde PIs en INS-1E cellen. Zowel offline simulaties en CS acquisities met verschillende reconstructiealgoritmes toonden een drie- tot viervoud toename in SNR per tijdstip. Deze voorlopige resultaten tonen niet enkel aan dat de CS techniek, samen met de juiste reconstructiealgoritmes, nuttig is om de scantijd te reduceren voor 19F MRI toepassingen met lage SNR, maar bewijst ook dat door de CS techniek toe te passen een verhoogde sensitiviteit kon worden behaald ten opzichte van de conventionele 19F MRI acquisitie schema’s voor dezelfde scantijden.

In deze thesis werd 19F MRI ook gebruikt voor een studie over gecontroleerde vrijgave van een pH sensitieve capsule. Door combinatie van 19F MRI en CT met fluoro-deoxyglucose (19FDG) en BaSO4 als respectievelijke contraststoffen werd informatie over de vroegtijdige permeabiliteit, integriteit en exacte anatomische locatie van de capsule verkregen zowel in vitro als in vivo in een hamstermodel. Deze nieuwe beeldvormingsaanpak kan hiervoor dienen als een nuttige tool voor het begrijpen en evalueren van verschillende modellen van gecontroleerde vrijgave mechanismen.

Deze PhD heeft bijgedragen aan het beter begrijpen, optimaliseren en valideren van 19F MRI als een preklinische beeldvormingstool voor het visualiseren van cellen en evalueren van gecontroleerde vrijgave capsules. De toekomst van 19F MRI blijft rooskleurig door zijn veelzijdigheid aan applicaties in verschillende domeinen van biomedische wetenschappen. Dit werk zal hopelijk bijdragen als solide basis voor verdere applicaties en ontwikkelingen in preklinisch onderzoek, maar ook voor de translatie van deze techniek naar het ziekenhuis.