In vitro Evaluierung von Magnetresonanztomografie-Kontrastmitteln für die Markierung primärer humaner Hepatozyten

Abstract

Die Lebertransplantation stellt derzeit den Goldstandard in der Behandlung des terminalen Leberversagens dar, die Verfügbarkeit dieses Therapieverfahrens ist jedoch durch den Mangel an geeigneten Spenderorganen limitiert. Die Leberzelltransplantation ist insbesondere bei metabolischen Lebererkrankungen eine vielversprechende therapeutische Alternative zur Lebertransplantation. Sowohl im Tierexperiment als auch in klinischen Studien konnte nach Leberzelltransplantation ein therapeutischer Erfolg mittels klinischer und histologischer Daten nachgewiesen werden. Für die weitere klinische Etablierung der Leberzelltransplantation wäre es zusätzlich von großer Bedeutung, eine Aussage über das Verhalten der transplantierten Zellen in vivo zu treffen. Ein hierfür vielversprechendes Verfahren stellt die Markierung der Zellen mit Eisenoxidpartikeln dar, deren kontrastgebenden Eigenschaften eine nicht-invasive Darstellung markierter Zellen mittels MRT erlauben. Hierfür stehen verschiedene Kontrastmittel zu Verfügung, die sich in vielerlei Hinsicht unterscheiden. Die Qualität der Partikel wird über die Markierungs- und Zellkompatibilitätseigenschaften bewertet. Hauptaugenmerk wird dabei auf die Aufnahme in die Zelle, die Signalgebung im MRT und auf den Ausschluss negativer Auswirkungen auf die Zelle hinsichtlich Vitalität und Funktionalität gelegt. Ziel dieser Arbeit ist es die Wahl des Kontrastmittels zu optimieren und durch Aufdeckung etwaiger Defizite Hinweise für Verbesserungspotential anzubieten. Es wurden dazu primäre humane Hepatozyten aus Leberteilresektaten gewonnen und in vitro kultiviert, anschließend mit klinisch zugelassenen nanoskaligen Eisenpartikeln (SPIOs) und nicht klinisch zugelassenen mikroskaligen Eisenpartikeln (MPIOs) markiert und über einen Zeitraum von einer Woche beobachtet. Zur Evaluation der Markierungseigenschaften der Partikel wurde die Eisenaufnahme in die Zellen gemessen und deren bildgebende Eigenschaften mit Hilfe eines Phantommodells im klinischen 3,0 Tesla MRT verglichen. Um den Einfluss der Partikel auf den Eisenstoffwechsel der Hepatozyten zu überprüfen, wurden mRNA- und Proteinsynthese von TfR und Ferritin untersucht. ROS, GOT, GPT, Harnstoff und lichtmikroskopische Bewertung der Zellmorphologie wurden als Parameter für die Zellschädigung verwendet. Eine erfolgreiche Inkorporation ist mit beiden Partikelarten möglich. Die MPIOs zeigten jedoch Vorteile in den Markierungseigenschaften hinsichtlich Aufnahmegeschwindigkeit und Bildgebung. Sowohl zellmorphologisch als auch bezüglich der Zellschädigungsparameter konnte bei beiden Gruppen kein Hinweis auf Zellschädigung gefunden werden. Im Gegensatz zu den MPIOs zeigten die SPIOs jedoch eine temporäre ROS-Bildung und eine nicht physiologische Aktivierung des Eisenstoffwechsels. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit kann der Einsatz von MPIOs als Markierungsoption bei der Hepatozytentransplantation empfohlen werden. Ansatzpunkte für weitere Studien sollten die Verbesserung der bildgebenden Eigenschaften zur Darstellung der Zellen auf Einzelzellniveau mit klinischem MRT und eine Verbesserung der Evaluation mit Aussage der Funktionalität und Vitalität der Zellen in vivo sein. Auch Studien mit längerem Beobachtungszeitraum, welche Langzeitschäden ausschließen können, wären von wissenschaftlichem Interesse.

Purpose: Magnetic resonance imaging (MRI) is a promising approach for non- invasive monitoring after liver cell transplantation. We compared in vitro labeling of human liver cells with nano-sized (SPIO) and micron-sized iron oxide particles (MPIO). Procedures: The cellular iron load was quantified and phantom studies were performed using 3.0-T MRI. Transferrin receptor and ferritin gene expression, reactive oxygen species (ROS) formation, transaminase leakage, and urea synthesis were investigated over 6 days. Results: Incubation with MPIO produced stronger signal extinctions in MRI at similar iron loads within shorter labeling time. MPIO had no negative effects on the cellular iron homeostasis or cell performance, whereas SPIO caused temporary ROS formation and non-physiologic activation of the iron metabolic pathway. Conclusions: Our findings suggest that MPIO are suited for clinical translation of strategies for cellular imaging with MRI. Attention should be paid to iron release and oxidative stress caused by biodegradable contrast agents.