Etablierung eines Schweinemodells zur Validierung von pharmakokinetischen Parametern in der dynamischen kontrastmittelbasierten Magnetresonanztomographie: Korrelation mit histologischen Parametern

Abstract

Die Etablierung eines Tiermodells zur Validierung pharmakokinetischer Parameter mit der DCE-MRI soll das Ziel dieser Arbeit sein. Das Schwein hat sich als geeignetes Modell erwiesen. Seine anatomische und physiologische Ähnlichkeit zum Menschen ermöglichen vergleichbare Perfusionsmessungen. Die Skelettmuskulatur dient als Modell für ein niedrig perfundiertes Gewebe. Die Messungen der Perfusion mittels DCE-MRI wurden am Hinterlauf der Schweine durchgeführt. Die narkotisierten Schweine wurden in ein MRT-Gerät mit 1,5 T gebracht. Über einen zentralen Venenkatheter wurden das hochmolekulare intravasale Kontrastmittel Gadofosveset und das niedermolekulare, schnell extravasierende Kontrastmittel Gadotersäure appliziert. Die dynamischen Messungen wurden mit einer TWIST-Sequenz (3-D Gradientenechosequenz mit Schlüssellochtechnik) durchgeführt. Die arterielle Eingangsfunktion (AIF) wurde in der Aorta abdominalis gemessen. Das Versorgungsgebiet der Femoralarterie wurde mittels lokaler Kontrastmittelgabe ermittelt und anschließend mit der Software Amira® konturiert. Die Signal-Zeit-Kurven wurden durch Anwendung verschiedener pharmakokinetischer Modelle ausgewertet. Als von der Bildgebung unabhängiges Referenzverfahren diente eine an der Femoralarterie implantierte Ultraschall-Flusssonde. Über einen Arterienkatheter, der ebenfalls an der Arterie angebracht wurde, konnten durch Applikation des Vasodilatators Adenosin pro Experiment mehrere Perfusionsstufen erreicht werden. Die Daten sollen eine Überprüfung der Quantifizierung der Perfusion ermöglichen. In dieser Arbeit soll jedoch zunächst die qualitative Überprüfung der Perfusionsdaten im Vordergrund stehen. Die mittels DCE-MRI ermittelten Daten wurden deshalb neben den Ultraschallflusswerten mit den Daten einer Patientin verglichen. Die Messungen an der Patientin wurden am Unterschenkel durchgeführt. Die Kurvenverläufe der ermittelten Werte der Patientin und der Schweine ergaben eine gute Übereinstimmung. Da bei den Schweinen pro Experiment mehrere Flussstufen gemessen wurden, kam es durch Kontrastmittelanreicherung bei der zweiten und dritten Messung zu einer Signalerhöhung der AIF. Der Kurvenverlauf der Messdaten der Patientin lag auf einem niedrigeren Niveau. Weil die AIF aus einer kleineren Arterie des Unterschenkels ermittelt wurde, ist dies durch Partialvolumeneffekte erklärbar. Um die Messungen mittels DCE-MRI von Blutvolumen und interstitiellem Volumen validieren zu können, wurden Muskelproben aus dem Hinterlauf des Schweines entnommen. Die Schnitte der Proben wurden entweder mit einer modifizierten van-Gieson-Färbung zur Darstellung des Bindegewebes oder mit einer endothelspezifischen Isolectinfärbung gefärbt. Anschließend erfolgte die histologische Untersuchung mit einer semiautomatischen Morphometriesoftware. Zur Bestimmung des interstitiellen Volumens wurden in Muskelproben des medialen Oberschenkels der extrazelluläre Raum und das Bindegewebe markiert und die Fläche berechnet. Dieser Wert wurde mit drei verschiedenen pharmakokinetischen Modellen, dem Tofts- Modell, dem erweiterten Tofts-Modell und dem Zwei-Kompartimente-Austauschmodell (2CXM), bei verschiedenen Akquisitionszeiten korreliert. Die Werte von Histologie und der Modelle zeigten insgesamt eine gute Übereinstimmung. Die Genauigkeit des 2CXM und seine Unabhängigkeit von der Akquisitionszeit lassen einen Einsatz in der klinischen Routine zu. Zur Bestimmung des Blutvolumens wurden Proben aus der lateralen, cranialen, der oberflächlichen und tiefen medialen Oberschenkelmuskulatur sowie dem Unterschenkel entnommen. Das Blutvolumen wurde histologisch mit zwei verschiedenen Methoden ermittelt. Die angefärbten Endothelien wurden markiert und das Lumen der Gefäße manuell hinzugefügt. Durch die histologische Präparation und den fehlenden Blutdruck waren die Gefäße kollabiert, sodass eine alleinige Messung der Lumenfläche nicht möglich war. Es war deshalb mit einer Unterschätzung des realen Wertes zu rechnen. Deshalb wurde zusätzlich die mittlere Gefäßdichte (MVD) bestimmt. Um das Blutvolumen zu errechnen, wurde die MVD mit dem mittleren Gefäßdurchmesser der Kapillaren laut Literatur von 8 µm multipliziert. Die histologisch ermittelten Blutvolumina wurden mit den Daten aus der DCE-MRI, die mit vier verschiedenen pharmakokinetischen Modellen bestimmt wurden, korreliert. Die Blutvolumina in den jeweiligen Muskelgruppen, die mit der MVD-Berechnung bestimmt wurden und die MRT-Daten, außer dem erweiterten Tofts-Modell, zeigten eine gute Übereinstimmung. Das erweiterte Tofts-Modell unterschätzte das Blutvolumen um 10-20%, vermutlich weil das Modell eine Bolusaufweitung nicht berücksichtigt. Das 2CXM bildet die physiologischen Gegebenheiten im Gewebe gut ab.

The aim of this work was the establishment of an animal model for the validation of pharmacogenetic parameters using DCE-MRT. The pig has proven to be a suitable model. Its anatomical and physiological similarity to humans allows comparable perfusion measurements. The skeletal musculature is intended to serve as a model for a low perfused. The measurements of the perfusion by means of DCE-MRI were carried out on the hind legs of the pigs. The anesthetized pigs were placed in an MRI device with 1.5 T. The high-molecular blood pool contrast medium gadofosveset and the low-molecular weight, fast extravasating contrast agent gadoteric acid were applied via a central venous catheter. The dynamic measurements were performed by a TWIST sequence (3D gradient echo sequence with keyhole technique). The arterial input function (AIF) was measured in the abdominal aorta. The supply area of the femoral artery was determined by a local application of contrast medium and subsequently contoured with the software Amira®. The signal-time curves were evaluated by using different pharmacokinetic models. An ultrasonic transit time flow probe, that served as an independent reference method of the perfusion imaging technique, was attached to the femoral artery. Via a catheter that was implanted in this artery several perfusion stages per experiment could be achieved by applying the vasodilator adenosine. It is intended to use the data to enable a precise quantification of the perfusion. In this work, however, the qualitative examination of the perfusion data will be the main focus. The data determined by DCE-MRI were therefore compared with the data of a patient and the ultrasonic flow values of the pigs. The measurements on the patient were performed on the lower leg. The curves of the values of the patient and the pigs showed a good agreement. Since several flow levels per experiment were measured in the pigs, a signal increase of the AIF occurred as a result of contrast medium accumulation in the second and third measurements. The patient´s curve was at a lower level. Because the AIF was determined from a smaller artery of the lower limb, this can be explained by partial volume effects. Furthermore, the time intervals between first and second pass of the contrast medium in the vessels were determined in five patients enrolled in a clinical study and in the pigs. To validate the measurements by means of DCE-MRI of blood volume and interstitial volume, muscle samples were taken from the hind leg of the pig.The sections of the samples were stained with either a modified van Gieson stain to visualise the connective tissue or with an endothelium-specific isolectin staining. Subsequently, the histological examination was performed with a semi-automatic morphometry software. Within the muscle samples of the medial thigh the interstitial volume, the extracellular space and the connective tissue were labeled and the area was determined. This value was correlated with three different pharmacokinetic models, the Tofts model, the extended Tofts model and the two-compartment exchange model (2CXM) at different acquisition times. The values of histology and the models showed a good agreement overall. The accuracy of the 2CXM and its independence from the acquisition time enable it for use in the clinical routine. For determination of the blood volume, samples were taken from the lateral, cranial and superficial and deep medial thigh muscles as well as the lower leg. The blood volume was determined histologically by two different methods. The stained endothelia were labeled automatically and the lumen of the vessels was added manually. Due to the histological preparation and the lack of blood pressure, the vessels collapsed so that a reliable measurement of the lumen area was not possible. Therefore, it was to be expected that the real value could be underestimated. Hence, the mean vascular density (MVD) was determined additionally. In order to calculate the blood volume, the MVD was multiplied by the mean vessel diameter of the capillaries, according to the literature of 8 µm. The histologically determined blood volumes were correlated with the data from the DCE-MRI, which were calculated by the use of four different pharmacokinetic models. The blood volumes in the respective muscle groups determined by the MVD calculation and the MRI data except the extended Tofts model showed a good agreement. The extended Tofts model underestimates the blood volume by 10-20 %, presumably because the model does not consider the bolus dispersion. The 2CXM describes the physiological conditions in the tissue well.