Magnetic particle imaging: new approaches for vascular imaging

Abstract

Magnetic Particle Imaging (MPI) is a relatively new medical imaging modality that is currently (as of 2020) in experimental phase. MPI utilizes the unique magnetic properties of magnetic nanoparticles (MNP) and visualizes the MNP distribution as three-dimensional maps. MNP characteristics, alongside the intrinsic parameters of the instrumental scanner, determine the spatial resolution, sensitivity and image quality of MPI. Therefore, the development of optimized MPI tracers is crucial for advancement of the imaging technique and to identify potential applications in diagnostic imaging. Multicore nanoparticles (MCP) tailored for MPI were synthesized in our lab, and their MPI performance was evaluated in comparison to Resovist in phantoms, single or double tubes, and in vivo. For the in vivo angiography study, 8 healthy rats were examined in 16 examinations. The inferior vena cava (IVC) and abdominal aorta (AA) were imaged in a 2 cm suprarenal segment after i.v. injection of MCP and Resovist in 3 dosages of 0.1, 0.05 and 0.025 mmol Fe/kg. In a further study, the vascular inflammation in abdominal aortic aneurysms (AAA) induced in Apolipoprotein E-deficient-mice (n=32) was imaged with MPI ex vivo, 24 h post i.v. Resovist injection (dosage 46.66 μg Fe/kg). The results were validated by histology and magnetic particle spectroscopy (MPS). Moreover, the blood half-life (t1/2) of modified MCP, surface coated with Polyethylene glycol (PEG), using MRI was investigated. MCP, compared to Resovist, provided higher signal-to-noise ratio in MPI, a finer spatial resolution of 1 mm or even lower, higher sensitivity, with successful visualization of 0.1 mmol Fe/l concentration in phantoms, and a distinctive qualitative outcome in in vivo MPI angiographic studies. After administration of MCP at dosages of 0.1, 0.05 mmol Fe/kg, the vessel lumen diameters (DL) of IVC and AA could be assessed with IVC=2.7 ± 0.6 and of AA=2.4 ± 0.7 mm. The accumulation of Resovist in inflammatory cells of AAA was imaged ex vivo quantitively in MPI and verified by Prussian blue and anti-CD86 immunohistochemistry. The iron amount quantification results correlated with MPS results (R=0.99). The successful PEGylation of MCP led to prolongation of t1/2 from several minutes to over an hour. Overall, MCP showed superior MPI image quality. The results implied that angiographic and cellular imaging of vascular abnormalities such as aneurysm is feasible with MPI, with the simultaneous quantitative measurement of MNP concentration. MPI is an evolving technology, with a good prospect as a clinical diagnostic tool. The findings in the presented work underline the current possibilities, challenges and limitations of MPI for experimental in vivo imaging with the perspective towards potential future clinical applications.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine relativ neue medizinische Bildgebungsmodalität, die sich derzeit (Stand 2020) in der experimentellen Phase befindet. MPI nutzt die einzigartigen Eigenschaften magnetischer Nanopartikel (MNP) und visualisiert die MNP-Verteilung dreidimensional. Neben den intrinsischen Parametern des Scanners bestimmen die MNP Eigenschaften die räumliche Auflösung, die Empfindlichkeit und die Bildqualität von MPI. Daher ist die Entwicklung optimierter MPI-Tracer entscheidend für die Weiterentwicklung dieser Bildgebungstechnik und die Identifizierung potenzieller Anwendungen in der diagnostischen Bildgebung. In unserem Labor wurden auf MPI optimierte Multicore-Nanopartikel (MCP) synthetisiert und ihre MPI-Leistung in Phantomen und in vivo im Vergleich zu Resovist bewertet. Die In-vivo- Angiographiestudie wurden an 8 gesunden Ratten in 16 Untersuchungen durchgeführt. Nach i.v.-Injektion von MCP und Resovist in den Dosierungen 0.1, 0.05 und 0.025 mmol Fe/kg wurden die Vena cava inferior (IVC) und die abdominale Aorta (AA) suprarenal in einem 2 cm langen Segment abgebildet. In einer weiteren Studie wurde die vaskuläre Entzündung in der Wand von induzierten abdominalen Aortenaneurysmen (AAA) in ApoE-/- Mäusen (n=32) 24 h nach i.v.-Resovist-Injektion abgebildet (Dosierung 46.66 μg Fe/kg). Die Ergebnisse wurden durch Histologie und Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) validiert. Darüber hinaus wurde die Bluthalbwertszeit (t1/2) von PEG-modifizierten MCP mittels MRT untersucht. MCP lieferten im MPI im Vergleich zu Resovist ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, eine höhere räumliche Auflösung von unter 1 mm, eine höhere Sensitivität bei erfolgreicher Visualisierung der 0.1 mmol Fe/l in Phantomen und ein qualitativ besseres Ergebnis in in-vivo- MPI-Angiographiestudien. Nach Verabreichung von MCP in den Dosierungen 0.1 und 0.05 mmol Fe/kg konnten die Gefäßlumendurchmesser von IVC = 2,7±0,6 mm und AA = 2,4±0,7 mm berechnet werden. In entzündlichen Zellen des abdominalen AAA konnte ex vivo die Akkumulation von Resovist quantitativ im MPI abgebildet und durch Berliner Blau- Färbung und Anti-CD86-Immunhistochemie verifiziert werden. Die Ergebnisse der Eisenmengenquantifizierung korrelierten mit den MPS-Ergebnissen (R=0,99). Die erfolgreiche PEGylierung von MCP führte zu einer Verlängerung von t1/2 wenigen Minuten auf über eine Stunde. Insgesamt zeigte MCP eine überlegene MPI-Bildqualität. Die Ergebnisse implizieren, dass eine angiographische und zelluläre Bildgebung von Gefäßanomalien wie Aneurysmen bei gleichzeitiger quantitativer Messung der MNP-Konzentration mit MPI möglich ist. MPI ist eine sich weiterentwickelnde Technologie mit Potenzial für die klinische Diagnostik. Die Ergebnisse der vorgestellten Arbeit unterstreichen die aktuellen Möglichkeiten, Herausforderungen und Grenzen des MPI für die experimentelle in-vivo-Bildgebung in Hinblick auf mögliche zukünftige klinische Anwendungen.