id,collection,dc.contributor.author,dc.contributor.firstReferee,dc.contributor.furtherReferee,dc.contributor.gender,dc.date.accepted,dc.date.accessioned,dc.date.available,dc.date.issued,dc.description.abstract[de],dc.format.extent,dc.identifier.uri,dc.identifier.urn,dc.language,dc.rights.uri,dc.subject,dc.subject.ddc,dc.title,dc.title.translated[de],dc.type,dcterms.accessRights.dnb,dcterms.accessRights.openaire,dcterms.format[de],refubium.affiliation[de],refubium.mycore.derivateId,refubium.mycore.fudocsId "1ad4c1ce-b95c-4b40-afc7-81bc26adc9ff","fub188/14","Klippel, Stefan","Dr. Leif Schröder","Prof. Dr. Christian Freund","m","2015-06-01","2018-06-07T15:06:21Z","2015-07-22T12:18:54.000Z","2015","Medical imaging has the potential to significantly improve our capabilities to understand, diagnose and treat diseases. Novel strategies include cell- tracking with non-targeted contrast agents in basic research and molecular imaging with targeted contrast agents for clinical applications. Both strategies rely on the sensitive detection of labeled cells by non-invasive modalities such as PET, SPECT, CT and MRI. Among these, MRI is the only modality that avoids the use of ionizing radiation. Nevertheless, it suffers from the low sensitivity of conventional relaxivity-based contrast agents (ca. 10-4 M detection limit). Molecular imaging applications that require nanomolar sensitivity are therefore restricted. Hyperpolarized xenon MRI in combination with indirect detection of xenon nanocarriers (hyper-CEST) overcomes this limitation by a 10⁷-fold signal gain. The MRI signal of the noble gas xenon is therefore dramatically enhanced by laser induced spin exchange optical pumping (SEOP) which further allows for the in vivo localization of dissolved xenon within organs such as the brain and the heart following inhalation. In addition, different synthetic as well as biological structures that serve as temporal hosts for xenon atoms have been identified. These nanocarriers are ideal contrast agents for xenon MRI since their indirect detection by chemical exchange saturation transfer combines high sensitivity (nano to picomolar concentrations) with the potential for multiplexing, functionalization and even genetic encoding. Within this study, substantial progress for cell- labeling with synthetic xenon nanocarriers including cryptophane-A cages (CrA) and perfluorcarbon nanodroplets (PFOB) could be achieved. Unspecific cell- labeling with unmodified CrA and PFOB was established as a labeling scheme for potential cell-tracking applications. Specific cell-labeling for the purpose of molecular imaging was confirmed for three different functionalized CrA molecules targeting cell surface epitopes (CD-14, EGF-receptors and metabolically labeled glycans). The functionalization strategies include modular antibody conjugation, scaffolding as well as the coupling of a bioorthogonal group. It was demonstrated for the first time, that the achievable labeling concentrations (micromolar to nanomolar) are indeed sufficient for the in vitro MRI localization of labeled cells by exploiting the signal amplification of indirect hyper-CEST detection. Further on, the frequency selectivity of the hyper-CEST principle has been employed for the multiplexed detection of CrA- and PFOB labeled cells. The multiplexing concept was demonstrated for non-targeted xenon nanocarriers and can be translated to specific labeling applications with functionalized versions in the future. Final in vitro MRI experiments have been performed in an advanced imaging setup (bioreactor) under physiological conditions with live cells. The setup simulates in vivo-like xenon delivery by cell perfusion with xenon saturated medium. All achievements were further discussed with respect to recent developments within the field. The thesis therefore provides a detailed in vitro characterization of MRI cell-labeling with xenon nanocarriers and thereby addresses the fundamental need for a successful translation of the concept to preclinical cell-tracking and molecular imaging applications.||Neue Konzepte auf dem Gebiet der medizinischen Bildgebung haben das Potential unsere Möglichkeiten zum Verständnis, der Diagnose und der Heilung von Krankheiten entscheidend zu verbessern. Diese Strategien beinhalten sowohl die Zellverfolgung mittels nicht-zielgerichteter Kontrastmittel im Bereich der Grundlagenforschung, als auch molekulare Bildgebung mit Hilfe von zielgerichteten Kontrastmitteln für klinische Anwendungen. Beide Verfahren basieren auf der sensitiven Detektion von markierten Zellen mittels nicht- invasiver Bildgebungsmethoden wie PET, SPECT, CT und MRT. Von diesen ist MRT das einzige Verfahren, welches nicht auf dem Einsatz ionisierender Strahlung beruht. Die Verwendung von MRT im Bereich der molekularen Bildgebung ist jedoch aufgrund der relativ geringen Sensitivität konventioneller, relaxations-basierter Kontrastmittel limitiert. MRT von hyperpolarisiertem Xenon in Kombination mit der indirekten Detektion von Xenon Nanoträgern (hyper-CEST) ermöglicht es, diese Beschränkung aufgrund einer etwa 107-fachen Signalverstärkung zu überwinden. Das MRT-Signal des ungiftigen Edelgases Xenon wird zu diesem Zweck erheblich mittels laser-induziertem “spin exchange optical pumping (SEOP)“ verstärkt. Diese Signalverstärkung ermöglicht es anschließend, die Verteilung von gelöstem Xenon in Organen wie dem Gehirn oder dem Herzen, nach dessen Inhalation zu detektieren. Zudem wurden verschiedene synthetische als auch biologische Strukturen identifiziert, die als temporärer Wirt für Xenonatome fungieren. Diese Nanoträger stellen ideale Kontrastmittel für Xenon-MRT dar, da ihre indirekte Lokalisierung mittels “chemical exchange saturation transfer“ (CEST) hohe Sensitivität (nano- bis pikomolar) mit der Möglichkeit zur Mehrfachdetektion, Funktionalisierung und genetischen Kodierung verbindet. Im Rahmen dieser Arbeit konnten erhebliche Fortschritte bei der Markierung von Zellen mit synthetischen Xenon-Nanoträgern erzielt werden. Bei den verwendeten Nanoträgern handelt es sich um Cryptophan-A Käfige (CrA) und Perfluorcarbon-Nanotröpfchen (PFOB). Unspezifische Zellmarkierung mit nicht-modifiziertem CrA und PFOB wurde als eine Markierungsstrategie für potentielle Anwendungen der Zellverfolgung etabliert. Spezifische Markierung von zellulären Oberflächenstrukturen (CD-14, EGF-Rezeptor, metabolisch markierte Glykane) zum Zwecke der molekularen Bildgebung wurde für drei unterschiedlich funktionalisierte CrA-Konjugate nachgewiesen. Die verwendeten Funktionalisierungsstrategien umfassen die modulare Konjugation mit Antikörpern, den Einsatz von zielgerichteten Gerüststrukturen sowie die Kopplung einer bioorthogonalen Gruppe. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass die erzielbaren Markierungskonzentrationen (mikromolar bis nanomolar) in der Tat ausreichend sind, um die in vitro MRT Lokalisierung von markierten Zellen unter Ausnutzung der Signalverstärkung durch indirekte hyper-CEST Detektion zu ermöglichen. Des Weiteren wurde die Frequenzselektivität des hyper-CEST Prinzips zur Mehrfachdetektion von CrA- und PFOB markierten Zellen eingesetzt. Das Konzept wurde für nicht-modifizierte Xenon-Nanoträger demonstriert und kann in der Zukunft auf Anwendungen mit funktionalisierten Nanoträgern übertragen werden. Weiterführende in vitro MRT-Experimente wurden in einem neu entwickelten Bildgebungsaufbau (Bioreaktor) mit lebenden Zellen und unter physiologischen Bedingungen durchgeführt. Der Aufbau simuliert die in vivo- Anlieferung von Xenon durch Zellperfusion mit Xenon-gesättigtem Medium. Die vorgelegte Studie liefert die Grundlagen für eine detaillierte in vitro- Charakterisierung der MRT-Zellmarkierung mit Xenon-Nanoträgern. Eine solche Charakterisierung ist die Vorrausetzung für eine erfolgreiche Übertragung des Konzeptes hin zu präklinischen Anwendungen auf dem Gebiet der Zellverfolgung und der molekularen Bildgebung.","III, 119 S.","https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/581||http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4783","urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099677-7","eng","http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen","MRI||NMR||imaging||xenon||hyperpolarization||hyper-CEST||chemical exchange||cell-labeling||cell-tracking||molecular imaging","600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften||600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften||600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik","MRI Cell-labeling with Xenon Nanocarriers","MRI-Zellmarkierung mit Xenon-Nanoträgern","Dissertation","free","open access","Text","Biologie, Chemie, Pharmazie","FUDISS_derivate_000000017340","FUDISS_thesis_000000099677"