MR-Perfusionsmessungen an experimentellen Hirntumoren

Abstract

Gliome sind durch starke Angiogenese (Neuausbildung von Gefäßen) gekennzeichnet. Maligne Hirntumore zeichnen sich dadurch aus, daß sich ihre vaskulären Eigenschaften gegenüber dem gesunden Gewebe unterscheiden. Mit zunehmenden Tumorgrad ändern sich Gefäßdichte und Permeabilität der Blutgefäße. Anhand von dynamischen Magnetresonanzmessungen des Signal- Zeitverhaltens bei Kontrastmittelgabe, ist es möglich, Informationen zum vaskulären Volumen rCBV und zum Blutfluß rCBF und zur Permeabilität P zu bekommen. Mit Hilfe eines Tiermodelles an Ratten kann dieser Fragestellung mit verschiedenen Kontrastmitteln nachgegangen werden, und die Ergebnisse mit der Histologie korreliert werden. Material / Methode 9L-Gliomzellinien wurden stereotaktisch in das Hirn von Fisher 344 Ratten (drei Gruppen, n=5) inokuliert. Die dynamischen MR-Untersuchungen (2,4 T. Bruker, Karlsruhe) erfolgten an einer Schicht durch den Tumor unter Bolusapplikation von drei verschiedenen Kontrastmitteln (Magnevist®, Gadomer-17®, DDM128) mit Hilfe einer Snapshot-FLASH-Sequenz. Die gewonnenen MR-Daten wurden mit einem pharmakokinetischen Modell ausgewertet und anschließend mit einem histologisch berechnetem rCBV verglichen. Der Konzentrationszeitverlauf wurde in zwei Gefäßvoxeln gemessen und mit zweiVerteilungsmechanismen (Bolus und Gleichverteilung des Kontrastmittels) angepaßt. Das entsprechende Kontrastmittel mit der Permeabilität k extravasiert aus dem vaskulären Volumen Vb in das interstitielle Volumen Vi. Unter der Annahme, daß Cp=Cp(t) ist, gilt für die zeitliche Änderung der Kontrastmittelkonzentration Ci im interstitiellen Volumen Vi: , (1) Mit Hilfe der Annahme einer Verteilungsfunktion für die Blutgefäßradien gelang es, das Permeabilitäts- Oberflächen-Produkt kS auszuspalten und die Permeabilität in µl pro Gefäßoberfläche im gemessenen Voxel anzugeben. Resultate Die Messungen mit DDM 128 ergaben aufgrund der artefaktreichen T2*-Sequenz und der gaußförmigen Größenverteilung nur qualitative rCBV-Maps. Bei den Messungen mit Magnevist® konnte der Bolus aufgrund der sehr schnellen Extravasion nicht zeitlich aufgelöst werden. Mit Gadomer-17® gelang es quantitative rCBV-, rCBF- und P-Maps zu erstellen. Die histologische Überprüfung des Blutvolumens ergab gute Übereinstimmung mit den berechneten rCBV-Maps. Weitere stochastische Auswertungen beider Methoden ergaben gaußförmige Verteilungen der Gefäßdichten. Schlußfolgerung Nur großmoleklare Kontrastmittel mit einer langen Blutzirkulation sind zur quantitativen Bestimmung der vaskulären Parameter nützlich. Diese Ergebnisse ermöglichen die Anwendung von neuen Methoden für die Diagnostik (Tumorgrading) und für das Monitoring von Therapien (Antiangiogenetische Therapie).

Gliomas are accompanied by angiogenesis (new vessel growth), a process essential for their progression from low-grade to high-grade, and there is a clear correlation between increased vascularity and increased malignancy. Quantitative tumor microvascular permeability assays generated with macromolecular magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents correlate closely with histologic tumor grades (1). We performed an animal study to evaluate a model for the quantitative mapping of vascular, interstitial, and cellular volume and blood vessel permeability. Advantages of an animal model are the possibility to use experimental contrast agents of various molecular sizes and to compare MRI data with histologic findings. 9L glioma cell lines were stereotactically implanted into the left hemisphere of female Fisher 344 rat brains. MR imaging was performed two weeks after inocculation. For the examination, rats were anesthetized with 2:1 ketamine-rompun adjusted for body weight and placed in the center of the bore. MRI experiments were performed at 2.4 T using a Bruker Biospec MSL-X11 system equipped with actively shielded gradient coils. A 6 cm diameter resonator was used for RF excitation and signal reception. Tumors were localized with T2-weighted images. After 10 seconds of baseline acquisition, a bolus injection of three different contrast agents (DDM 128 (SPIO: super- paramagnetic iron oxide with gaussian weight distribution), Gadomer-17, Schering, and Magnevist, Schering) was administered into tail the vein of three different groups (N=5). Dynamic contrast changes were measured in a single transverse slice through the tumor using a snapshot FLASH sequence or an Inversion Recovery FLASH sequence depending on the contrast agent. After measurements, rats were perfused with formaline and brains removed for histologic analysis. Quantitative vascular, interstitial, and cellular volume maps and permeability maps were calculated using different pharmacokinetic models depending on the molecular weight of the contrast agent. The pharmacokinetic models explain the time-dependent changes in concentration Ci,x of contrast agent in interstitial volume Vi,x: , where A is the surface of blood vessels, Cp the concentration of contast agent in blood plasma, k the permeability, and x the number of transport mechanisms, which varies for each contrast agent. Furthermore we substituted the surface by a mean vascular radius of blood vessels and were able to split the permeability- surface product. Due to its molecular size and weight distribution, DDM 128 allowed only calculation of qualitative vascular volume maps. With Magnevistâ, vascular and interstitial volume maps but, due to the small size, no permeability maps could be calculated. Gadomer-17â allowed to generate quantitative vascular, interstitial, and cell volume maps and permeability maps and showed a peripherally increased vascular volume.