Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory disease of the central nervous system (CNS) that is characterized by autoimmune-driven inflammation, resulting in myelin destruction and damage to neuronal axons and cell bodies. These alterations manifest as CNS lesions in magnetic resonance imaging (MRI). In MS patients, MRI has shown the presence of cerebral gadolinium (Gd) retention following repeated injections of mainly linear gadolinium-based contrast agents (GBCAs). Using the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a mouse model of MS, we previously observed that EAE mice exhibited enhanced cerebellar short-term Gd retention compared to healthy controls (HC) following injections of gadopentetate dimeglumine. Since MS patients generally undergo multiple contrast-enhanced (CE) MRIs throughout their lives, the concern of augmented Gd retention and potential long-term consequences may be specifically relevant for them. This thesis aimed to investigate the long-term character of inflammation-promoted brain Gd retention and contributing factors after repeated application of linear gadopentetate or macrocyclic gadobutrol. By combining longitudinal T1 mapping of the brain and cross-sectional (laser ablation-) inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-/ICP-MS) assessments of blood and cerebellum, we took an interdisciplinary approach to address Gd retention patterns and kinetics in EAE and HC mice. MRI calibration was performed to assess the impact of inflammation on Gd bonds and compare the binding behavior of the two tested GBCAs. In addition, this thesis presents the establishment of an ex vivo model of living brain tissue and its utilization to determine Gd-induced neurocytotoxicity under naïve and inflammatory conditions. Within this model, the retained Gd content was visualized by Imaging Mass Cytometry (IMC), and quantified by ICP-MS. Quantitative T1 relaxometry and LA-ICP-MS results confirmed that in EAE mice Gd retention was enhanced after injections of both GBCAs. While gadopentetate led to persistent retention, particularly inside the inflamed cerebellar nuclei (CN), gadobutrol caused weak and diffuse Gd content, which cleared over the observational period. MRI calibration showed that in vivo MRI underestimated the T1 effect of Gd after the administration of gadopentetate, suggesting that Gd may be partially bound in insoluble deposits. After incubation with gadopentetate ex vivo, retained Gd content at approximately 1.5 mM led to a reduction in neuronal viability, which further decreased under inflammatory conditions. Taken together, the results indicate that inflammation promotes the extent of Gd brain retention, particularly after linear GBCA administration, and significantly influences its retention pattern, binding to endogenous ligands, and cytotoxic potential. Thus, multiple administrations of mainly linear GBCAs may pose a long-term risk for patients suffering from chronic neuroinflammatory disorders like MS.
Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche Autoimmunerkrankung, bei der es zur Bildung von Entmarkungsherden und neuronaler Schädigung im zentralen Nervensystem (ZNS) kommt. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht die Darstellung von resultierenden ZNS-Läsionen und ist essentiell für die MS-Diagnosestellung. In der MRT wurden nach Gabe von linearen Gadolinium-haltigen Kontrastmitteln (GdKM) zerebrale Gadolinium-(Gd-)Ablagerungen festgestellt. Unter Verwendung der Autoimmunenzephalomyelitis (EAE), einem MS-Mausmodell, konnten wir bereits zeigen, dass wiederholte Injektionen von Gadopentetat-Dimeglumin zu einer kurzfristigen Gd-Kleinhirnretention führten und dass dieser Effekt bei EAE-Mäusen im Vergleich zu gesunden Kontrollen (HC) verstärkt war. Diese Erkenntnis ist alarmierend, da MS-Patienten im Verlauf häufiger kontrastmittelverstärkte MRTs erhalten als Gesunde. Ziel dieser Studie war es, die durch Entzündung vermittelte Gd-Retention im Gehirn nach multipler Gabe von linearem Gadopentetat oder makrozyklischem Gadobutrol zu definieren und Langzeitfolgen verstärkter Ablagerung zu analysieren. Hierfür haben wir Gd-Retentionsmuster und -kinetik in EAE- und HC-Gehirnen mittels longitudinalem T1-Mapping verglichen und interdisziplinär mit Blut- und Kleinhirnanalysen mittels (Laserablations-) induzierter gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-/ICP-MS) kombiniert. Eine MRT-Kalibrierung sollte potenziell entstandene Gd-Verbindungen unter naiven und entzündlichen Bedingungen analysieren und Unterschiede im Bindungsverhalten der beiden GdKM-Typen bewerten. Außerdem wurde ein ex vivo-Modell von lebendem Hirngewebe etabliert, das zur Bestimmung potentiell zytotoxischer Gd-Wirkungen genutzt wurde. Das retinierte Gd konnte ex vivo mittels Imaging-Massenzytometrie (IMC) visualisiert und mittels ICP-MS quantifiziert werden. Die Ergebnisse der quantitativen T1-Relaxometrie- und LA-ICP-MS-Analysen bestätigten, dass die Gd-Retention in EAE-Gehirnen nach Gabe beider GdKMs verstärkt war. Nach Gadopentetat-Injektion lagerte sich Gd vor allem in den Kleinhirnkernen ab und blieb über den gesamten Beobachtungszeitraum erhalten. Gadobutrol führte zu einer schwachen, diffuseren Retention, die im Studienverlauf effizient ausgewaschen wurde. Die MRT-Kalibrierung ergab, dass der T1-verkürzende Effekt von Gd in der in vivo MRT nach linearer GdKM-Injektion unterschätzt wurde, was Resultat der Bildung unlöslicher Gd-Spezies sein könnte. In einem ex vivo-Paradigma neuronaler Entzündung zeigte ausschließlich Gadopentetat toxische Wirkungen auf Hirngewebe. Insgesamt stellten wir fest, dass die neuronale Entzündung das Ausmaß der Gd-Retention im ZNS vor allem nach Applikation von linearem GdKM förderte. Sie hatte Einfluss auf Retentionsmuster, das endogene Bindungsverhalten und das neurotoxische Potenzial von Gd. Die mehrfache Gabe linearer GdKM könnte daher Langzeitrisiken für Patienten mit chronisch-entzündlichen ZNS-Erkrankungen wie der MS darstellen.
