PET/CT and SPECT/CT for monitoring treatment response and treatment related morbidities in various oncological and non-oncological rodent models

Abstract

Aim Quantitative radionuclide imaging using PET and SPECT with different radiopharma-ceuticals is a mainstay in functional imaging, therapy response monitoring and charac-terization of treatment-induced changes and morbidities. The overall goal of this thesis was to translate clinically well-established PET and SPECT procedures into experi-mental preclinical settings to improve and extend the in-vivo characterization of treat-ment-related changes in various interventional animal models. Materials and Methods For overcoming everolimus resistance in neuroendocrine tumors (NET), a novel treat-ment approach with the PI3Kα inhibitor alpelisib was evaluated in a SCID mouse mod-el with everolimus resistant and wildtype NET tumors using PET with 18F-FDG and 68Ga-DOTATOC as in-vivo measures for longitudinal assessment of tumor response and somatostatin receptor (SSTR) (re-)expression. Furthermore, the renal toxicity of the different treatment regimens with alpelisib as well as 177lutetium SSTR ligand therapies was evaluated in NET tumor-bearing SCID mice by renal SPECT with 99mTc-MAG3 af-ter normal tracer kinetic values have been established in healthy male and female SCID mice. Finally, bone remodelling after piezocision for orthodontic applications in rats was monitored by bone SPECT imaging with 99mTc-MDP as a marker for bone me-tabolism before and 2 and 4 weeks after treatment. Results In everolimus sensitive tumors, everolimus, alpelisib, and the combination treatment significantly prolonged survival compared to placebo, while in everolimus resistant tu-mors only the combination therapy had a significant effect. PET imaging showed nega-tive 68Ga-DOTATOC and positive 18F-FDG tumor uptake throughout the entire treat-ment period in all treatment groups, indicating no SSTR re-expression, as validated by histological analysis. Normal renal function values in male and female mice showed that males had signifi-cantly delayed T25 clearance (p < 0.01). After treatment with 177lutetium SSTR ligands, time activity curves exhibited a less steep slope indicating a delayed clearance reach-ing T50 (p = 0.02) and T25 (p = 0.01) later compared to healthy mice. Alpelisib also signif-icantly delayed T50 and T25 (p = 0.013 each) compared to pretreatment. Bone SPECT was highly sensitive in detecting bone remodelling after surgery demon-strating an increased uptake at 2 weeks (p = 0.001) which gradually decreased at 4 weeks after orthodontic appliance application with/without piezocision. However, no additional significant effect of piezocision on bone metabolism was observed. Conclusion With respect to the overall goal of translating and implementing dedicated radionuclide imaging procedures with SPECT and PET in preclinical animal research, imaging pro-tocols were established and validated as a basis for improved monitoring of treatment response and treatment-related morbidities in various oncological and non-oncological rodent models.

Ziel Die quantitative Radionuklid-Bildgebung mit PET und SPECT mit verschiedenen Radiopharmaka ist eine wichtige Grundlage für die funktionelle Bildgebung zur Überwachung des Therapieansprechens und der Charakterisierung von behandlungsbedingten Veränderungen. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, klinisch etablierte PET und SPECT Verfahren in die präklinische Anwendung zu übertragen, um die in vivo-Charakterisierung von behandlungsbedingten Veränderungen in verschiedenen Tiermodellen zu verbessern und zu erweitern. Material und Methoden Zur Überwindung der Everolimus Resistenz bei neuroendokrinen Tumoren (NET) wurde ein neuartiger Behandlungsansatz mit dem PI3Kα-Inhibitor Alpelisib in einem SCID-Mausmodell mit Everolimus-resistenten und Wildtyp NET-Tumoren untersucht und mit Hilfe von 18F-FDG und 68Ga-DOTATOC PET das Tumoransprechen und die Somatostatin-Rezeptor (Re-) Expression (SSTR) im Verlauf evaluiert. Darüber hinaus wurde die Nierentoxizität der verschiedenen Behandlungsschemata mit Alpelisib sowie bei der 177Lutetium-SSTR-Ligandentherapie in SCID-Mäusen mittels Nieren-SPECT mit 99mTc-MAG3 untersucht, nachdem Normalwerte für die Biokinetik des Tracers in gesunden männlichen und weiblichen SCID-Mäusen bestimmt worden waren. Schließlich wurde der Knochenumbau nach Piezozision im Rahmen von kieferorthopädische Eingriffen bei Ratten mittels Knochen-SPECT-Bildgebung mit 99mTc-MDP als Marker für den Knochenstoffwechsel vor sowie 2 und 4 Wochen nach der Behandlung bestimmt. Ergebnisse Bei Everolimus-sensitiven Tumoren verlängerten Everolimus, Alpelisib und die Kombinationstherapie das Überleben im Vergleich zu Placebo signifikant, während bei Everolimus-resistenten Tumoren nur die Kombinationstherapie das Überleben signifikant verlängerte. Die PET-Bildgebung zeigte während des gesamten Behandlungszeitraums in allen Behandlungsgruppen eine fehlende 68Ga-DOTATOC- und eine positive 18F-FDG-Tumoraufnahme. Dies deutet darauf hin, dass keine Redifferenzierung von SSTR stattgefunden hat, was die histologische Analyse bestätigte. Normale Nierenfunktionswerte bei männlichen und weiblichen Mäusen zeigten, dass die Männchen eine deutlich verzögerte T25-Clearance hatten (p < 0,01). Nach der Behandlung mit 177Lutetium-SSTR-Liganden wiesen die Zeit-Aktivitäts-Kurven einen weniger steilen Abfall mit einer verzögerten T50 (p = 0,02) und T25 (p = 0,01) Clearance auf im Vergleich zu gesunden Mäusen. Auch Alpelisib verzögerte T50 und T25 (jeweils p = 0,013) im Vergleich zu den prätherapeutischen Werten signifikant. Die Knochen-SPECT war sehr empfindlich beim Nachweis des gesteigerten Knochenumbaus nach Operation und zeigte eine erhöhte Traceraufnahme nach 2 Wo-chen (p = 0,001), die 4 Wochen nach Einbau der kieferorthopädischen Apparatur mit/ohne Piezozision allmählich abnahm. Es wurde jedoch kein zusätzlicher signifikanter Effekt der Piezozision auf den Knochenstoffwechsel beobachtet. Fazit Im Hinblick auf das übergeordnete Ziel, verschiedene Radionuklid-Bildgebungsverfahren mit SPECT und PET in die präklinischen Tierforschung zu übertragen, wurden Bildgebungsprotokolle als Grundlage für eine verbesserte in vivo Überwachung des Therapieansprechens und von behandlungsbedingten Morbiditäten in verschiedenen onkologischen und nicht-onkologischen Nagetiermodellen erstellt und validiert.