Nachweis einer Arthritis im Sprunggelenk der Ratte mittels NIR Bildgebung unter Verwendung des Farbstoffes KC 45 und deren Korrelation mit der MRT und histologischen Untersuchung

Abstract

Zielstellung: Ziel der Arbeit war es, die Methode der NIR-Bildgebung unter Einsatz des Cyaninfarbstoffes KC 45 für die Detektion rheumatoider Arthritiden am Modelltier Ratte zu erproben. Vergleichende MRT- und histopathologische Untersuchungen wurden durchgeführt. Material und Methoden: Es wurden 22 weibliche Ratten des Wistar-Lewis- Stammes eingesetzt. 7 dienten als Kontrolltiere, bei den übrigen 15 wurde, nach dem Modell der Kollagen- induzierten Arthritis, eine Gelenkentzündung erzeugt. Untersucht wurden jeweils die Sprunggelenke. Die SI der Gelenke wurde sowohl vor als auch während 10 und nach 30, 60 und 120 min nach i.v.- Verabreichung des Farbstoffes (1 µmol /kg KGW) gemessen. Die Fluoreszenz wurde von einer im NIR- Bereich empfindlichen CCD- Kamera erfasst und zur bildlichen Darstellung der beleuchteten Areale genutzt. In ausgewählten ROI konnte die Fluoreszenzintensität aller Pixel im auszuwertenden Bereich bestimmt werden. Die vergleichende MRT-Untersuchungen erfolgten mit einer T1-gewichteter Spinechosequenz vor und nach Kontrastmittelgabe. Als KM wurde Gadolinium in einer Dosis von 0,2 mmol pro kg KGW verwendet. Die von den Gelenken angefertigten histologischen HE- gefärbten Schnittpräparate wurden anhand eines murinen Scores für Arthritiden beurteilt. Ergebnisse: Die Einteilung der Gelenke in Gruppen erfolgte anhand des histologischen Score-Ergebnisses. Die Gruppe A mit geringgradigen Entzündungszeichen umfasst 12 Gelenke, Gruppe B mit mittelgradiger Arthritis 11 und die Gruppe C mit hochgradiger Arthritis 7 Gelenke. Die 14 Gelenke der Kontrolltiere wurden in eine eigene Gruppe eingeteilt. Anhand der NIR- wie auch der MRT- Messungen können die Gelenke der Gruppe A von den Kontrollgelenken nicht signifikant unterschieden werden (p > 0,5). Für die Gruppen B und C weisen beide bildgebenden Verfahren signifikante Unterschiede zu der Kontrollgruppe auf (p < 0,5). Die Messungen zu den diversen Zeitpunkten haben ergeben, dass sich mit dem Farbstoff KC 45 die deutlichsten Kontraste zwischen gesunden und entzündeten Gelenken überwiegend nach fünf Minuten zeigen. Die Korrelationsberechnungen verdeutlichen, dass arthritische Veränderungen, die auch histologisch nachweisbar sind, mithilfe der NIR- Bildgebung unter Verwendung des Fluoreszenzfarbstoffes KC 45 sensitiv erfasst werden. Es ergibt sich eine hohe Korrelation dieses Verfahrens zur histologischen Untersuchung (rs = 0.74). Die Ergebnisse der MRT-Untersuchung, die auch hoch mit den histologischen Veränderungen der Gelenkstrukturen korrelieren (rs = 0.76), bestätigen die Angaben in der Literatur. Eine ebenfalls hohe Korrelation der NIR-Messungen zu den Ergebnissen der MRT- Untersuchung (rs = 0.71) deutet auf eine gute Vergleichbarkeit beider Verfahren bezüglich der Detektion von Arthritiden hin. Schlussfolgerung: Insbesondere in der Frühdiagnostik von Arthritiden könnte sich dieses Verfahren, das sich durch eine leichte Handhabung und geringen Kostenaufwand auszeichnet, bewähren.

Aim: The aim of the present study was to investigate the usefulness of near infrared (NIR) imaging with KC 45 for the detection of rheumatoid arthritis in the rat model. The NIR measurements were compared with the MRI and histopathology. Material and Methods: The experiments were performed in 22 female Wistar-Lewis rats. 7 rats served as controls while inflammation of the ankle joints was induced in the other 15 rats using the technique of collagen-induced arthritis. 13 of the 15 animals developed arthritis, some of them unilaterally. The signal intensity (SI) of the ankle joints was measured before, during 10, 30, 60, and 120 min after i.v injection of the dye in aqueous solution at a dose of 1 µmol per kg of body weight. Images were generated by recording the excitation energy reflected by the fluorescent molecules with a CCD camera sensitive in the NIR range. The arithmetic means of fluorescence intensity of all pixels were determined in regions of interest placed in each ankle joint. The MRI examinations were performed on a 1.5-Tesla scanner using a T1 sequence before and after contrast medium administration. The contrast medium used was an established Gd-based medium (dose of 0.2 mmol per kg BW). The MR images were analyzed using the NIH Image software. The histologic specimens of the joints were stained with H&amp;E; and evaluated using a score for the assessment of murine arthritis. Results: The joints were assigned to either of three groups reflecting the grade of inflammation according to the histologic scores. Group A with mild signs of inflammation comprised 12 ankle joints, group B with moderate arthritis 11 joints, and group C with severe arthritis 7 joints. Fourteen joints of 7 animals without arthritis served as controls.Neither NIR imaging nor MRI allowed for differentiating the joints of group A from those of the control animals. For groups B and C, both imaging modalities show significant differences compared to the control group. Measurements at different time points after injection of the dye demonstrate that KC 54 yields the most pronounced differences between normal and inflammatory joints after 5 minutes. Calculation of correlations confirms that arthritis-induced changes that can be demonstrated histologically are sensitively depicted by NIR imaging using the fluorescence dye KC 45. There is a high correlation between NIR imaging and histology (rs = 0.74). The MRI findings, which likewise correlate strongly with the histologically demonstrated changes of the joint structures (rs = 0.76), confirm data reported in the literature. MRI is characterized by an excellent tissue differentiation. There is likewise a high correlation between MRI and NIR imaging (rs = 0.71), suggesting a good comparability of both modalities in the detection of arthritis. Conclusion: NIR imaging has a potential for being used as a screening method in evaluating the inflammatory activity of joints in the near future.