Bildgebende Diagnostik einer Doxorubicin-induzierten Myokarditis mittels kontrastmittelgestützter 19F-Magnetresonanztomographie im Tiermodell

Abstract

Einleitung: Auch in Zeiten von hochauflösenden bildgebungstechnischen Methoden stellt die invasive Myokardbiopsie weiterhin den Goldstandard in der Myokarditis-Diagnostik dar. Mit der kontrastmittelgestützten 19F-Magnetresonanztomographie (19F-MRT) steht ein nicht-invasives Werkzeug zu Verfügung, um Entzündungszellen spezifisch sichtbar zu machen. Bisher publizierte Studien zur 19F-MRT Myokarditis-Diagnostik verwendeten auf tierexperimentelle Arbeiten beschränkte 9.4 Tesla (T) Hochfeld-Tomographen. Ziel dieser Arbeit war es, das Potential der 19F-MRT in der nicht-invasiven Myokarditis-Diagnostik im Tiermodell unter der Verwendung von klinisch etablierten Feldstärken von 1.5T und 3T zu evaluieren. Dies geschah im Rahmen einer Produktentwicklung einer Perfluoroctylbromid (PFOB)-haltigen Kontrastmittel-Nanoemulsion.

Methoden: Zur Induktion einer Myokarditis erhielten zehn männlichen Sprague Dawley (SD)-Ratten über sechs Wochen je eine wöchentliche Injektion von 2 mg/kg KG Doxorubicin. Als Kontrolle dienten sechs SD-Ratten, die über sechs Wochen wöchentlich eine Injektion mit Natriumchlorid-Lösung erhielten. Alle Versuchstiere erhielten 24 Stunden vor der 19F-MRT eine Injektion mit 4 ml 20 % PFOB-Nanoemulsion. Für die MR-Bildgebung wurden je fünf Doxorubicin-Tiere und je drei Kontrolltiere auf die 1.5T und 3T Gruppe verteilt. Es wurde eine 1H-Übersichtsaufnahme, gefolgt von einer 19F-3D-UTE-SSFP-Sequenz und einer 1H-T2W-3D-TSE-Sequenz und erneut eine 19F-3D-UTE-SSFP-Sequenz durchgeführt. Die Rekonstruktion der 1H- und 19F-Sequenzen erfolgte mit dem für diese Arbeit entwickelten Programm Liver 3.0. Bei jedem Tier wurde das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) bestimmt. Post Mortem erfolgte die histologische und immunhistologische Aufarbeitung mittels H.E.-Färbung und Makrophagen-assoziierten CD68(ED1)-Antikörper. Zur statistischen Auswertung erfolgte die Messung des Farbschwellenwertes der positiven Antikörperreaktion. Zudem wurde aus fünf Tieren je Gruppe Blut für die laborchemische Auswertung mittels Troponin I Test gewonnen.

Ergebnisse: Bei allen Tieren der Doxorubicin-Gruppe konnte in beiden Feldstärken ein kardiales 19F-Signal rekonstruiert werden. In der Kontrollgruppe zeigte sich visuell kein kardiales 19F-Signal. Das SNR in der Doxorubicin-Gruppe war in beiden Feldstärken signifikant größer als in der Kontrollgruppe (1.5T: 4,56 ± 1,19 vs. 2,03 ± 0,39; p=0.036 und 3T: 3,91 ± 1,19 vs. 1,74 ± 0,12; p=0.036). In der histologischen Auswertung zeigte die Doxorubicin-Gruppe eine signifikant höhere Makrophageninfiltration im Myokard als die Kontrollgruppe (14712,50 μm² ± 11897,88 μm² vs. 2130,20 μm² ± 761,08 μm²; p=0.001). Die Korrelation zwischen SNR und Makrophageninfiltration war in der 1.5T Bildgebung hoch (r=0,71, p=0.047) und in der 3T Bildgebung mittel (r=0,68, p=0.094). Die Auswertung des Troponin I Test zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen beiden Gruppen (0,29 ng/dl ± 0,41 ng/dl vs. 0,005 ng/dl ± 0,005 ng/dl; p=0.057).

Schlussfolgerung: Diese Arbeit zeigte den erfolgreichen Einsatz der 19F-MRT unter der Verwendung von klinisch etablierten Feldstärken und einer PFOB-Nanoemulsion in der Myokarditis-Diagnostik im Tiermodell.

Introduction: Even in times of high-definition imaging techniques, the invasive myocardial biopsy still remains the gold standard in myocarditis diagnostics. 19F magnetic resonance and fluorine-based contrast agents are a newly developed tools for the specific visualization of inflammatory cells. In previous studies experimental high field 9.4T MRI was used for 19F imaging in myocarditis diagnostics. The aim of this study was to evaluate the potential of 19F MRI in the myocarditis diagnostics with application of clinically established MR field strengths of 1.5T and 3T in an animal model. As a part of a product development, a PFC contrast nanoemulsion was developed using perfluorooctylbromide (PFOB).

Methods: Myocarditis was induced in ten male Sprague Dawley (SD) rats over six weeks with weekly injections of 2 mg/kg bw doxorubicin. As a control six SD rats were used, receiving weekly injections with NaCl over six weeks. All rats received an injection with 4 ml of a 20 % PFOB-nanoemulsion 24 hours prior MRI examination. For each field strength five animals from the doxorubicin group and three animals from control group were used. For MRI imaging a 1H-survey, a 19F-3D-UTE-SSFP, a 1H-T2W-3D-TSE and again a 19F-3D-UTE-SSFP sequence were performed, followed by sequence reconstruction with the specially designed program Liver 3.0. The signal-to-noise-ratio (SNR) was analyzed, followed by histological staining and immunohistological processing with recording the color threshold value. Blood samples from five animals of each group were taken for laboratory examination using Troponin I test.

Results: All animals in the doxorubicin group showed a cardiac 19F signal in both field strengths. In the control group no visual cardiac 19F signal was found. In the statistical analysis the SNR in the doxorubicin group in both field strengths was significantly higher than in the control group. (1.5T: 4.56 ± 1.19 vs. 2.03 ± 0.39; p=0.036 and 3T:3.91 ± 1.19 vs. 1.74 ± 0.12; p=0.036). In the histological analysis the doxorubicin group showed significantly higher cardiac macrophage infiltration than the control group (14712.50 µm² ± 11897.88 µm² vs. 2130.20 µm² ± 761.08 µm²; p=0.001). The correlation between SNR and macrophage infiltration was high in 1.5T (r=0.71, p=0.047) and moderate in 3T (r=0.68, p=0.094). Troponin I test showed no significant difference between both groups (0.29 ng/dl ± 0.41 ng/dl vs. 0.005 ng/dl ± 0.005 ng/dl; p=0.057).

Conclusion: This study showed the successful implementation of 19F MRI using established field strengths and a PFOB-nanoemulsion in diagnostics of experimental myocarditis.