dc.contributor.author
Klippel, Stefan
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:06:21Z
dc.date.available
2015-07-22T12:18:54.000Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/581
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4783
dc.description.abstract
Medical imaging has the potential to significantly improve our capabilities to
understand, diagnose and treat diseases. Novel strategies include cell-
tracking with non-targeted contrast agents in basic research and molecular
imaging with targeted contrast agents for clinical applications. Both
strategies rely on the sensitive detection of labeled cells by non-invasive
modalities such as PET, SPECT, CT and MRI. Among these, MRI is the only
modality that avoids the use of ionizing radiation. Nevertheless, it suffers
from the low sensitivity of conventional relaxivity-based contrast agents (ca.
10-4 M detection limit). Molecular imaging applications that require nanomolar
sensitivity are therefore restricted. Hyperpolarized xenon MRI in combination
with indirect detection of xenon nanocarriers (hyper-CEST) overcomes this
limitation by a 10⁷-fold signal gain. The MRI signal of the noble gas xenon is
therefore dramatically enhanced by laser induced spin exchange optical pumping
(SEOP) which further allows for the in vivo localization of dissolved xenon
within organs such as the brain and the heart following inhalation. In
addition, different synthetic as well as biological structures that serve as
temporal hosts for xenon atoms have been identified. These nanocarriers are
ideal contrast agents for xenon MRI since their indirect detection by chemical
exchange saturation transfer combines high sensitivity (nano to picomolar
concentrations) with the potential for multiplexing, functionalization and
even genetic encoding. Within this study, substantial progress for cell-
labeling with synthetic xenon nanocarriers including cryptophane-A cages (CrA)
and perfluorcarbon nanodroplets (PFOB) could be achieved. Unspecific cell-
labeling with unmodified CrA and PFOB was established as a labeling scheme for
potential cell-tracking applications. Specific cell-labeling for the purpose
of molecular imaging was confirmed for three different functionalized CrA
molecules targeting cell surface epitopes (CD-14, EGF-receptors and
metabolically labeled glycans). The functionalization strategies include
modular antibody conjugation, scaffolding as well as the coupling of a
bioorthogonal group. It was demonstrated for the first time, that the
achievable labeling concentrations (micromolar to nanomolar) are indeed
sufficient for the in vitro MRI localization of labeled cells by exploiting
the signal amplification of indirect hyper-CEST detection. Further on, the
frequency selectivity of the hyper-CEST principle has been employed for the
multiplexed detection of CrA- and PFOB labeled cells. The multiplexing concept
was demonstrated for non-targeted xenon nanocarriers and can be translated to
specific labeling applications with functionalized versions in the future.
Final in vitro MRI experiments have been performed in an advanced imaging
setup (bioreactor) under physiological conditions with live cells. The setup
simulates in vivo-like xenon delivery by cell perfusion with xenon saturated
medium. All achievements were further discussed with respect to recent
developments within the field. The thesis therefore provides a detailed in
vitro characterization of MRI cell-labeling with xenon nanocarriers and
thereby addresses the fundamental need for a successful translation of the
concept to preclinical cell-tracking and molecular imaging applications.
de
dc.description.abstract
Neue Konzepte auf dem Gebiet der medizinischen Bildgebung haben das Potential
unsere Möglichkeiten zum Verständnis, der Diagnose und der Heilung von
Krankheiten entscheidend zu verbessern. Diese Strategien beinhalten sowohl die
Zellverfolgung mittels nicht-zielgerichteter Kontrastmittel im Bereich der
Grundlagenforschung, als auch molekulare Bildgebung mit Hilfe von
zielgerichteten Kontrastmitteln für klinische Anwendungen. Beide Verfahren
basieren auf der sensitiven Detektion von markierten Zellen mittels nicht-
invasiver Bildgebungsmethoden wie PET, SPECT, CT und MRT. Von diesen ist MRT
das einzige Verfahren, welches nicht auf dem Einsatz ionisierender Strahlung
beruht. Die Verwendung von MRT im Bereich der molekularen Bildgebung ist
jedoch aufgrund der relativ geringen Sensitivität konventioneller,
relaxations-basierter Kontrastmittel limitiert. MRT von hyperpolarisiertem
Xenon in Kombination mit der indirekten Detektion von Xenon Nanoträgern
(hyper-CEST) ermöglicht es, diese Beschränkung aufgrund einer etwa 107-fachen
Signalverstärkung zu überwinden. Das MRT-Signal des ungiftigen Edelgases Xenon
wird zu diesem Zweck erheblich mittels laser-induziertem “spin exchange
optical pumping (SEOP)“ verstärkt. Diese Signalverstärkung ermöglicht es
anschließend, die Verteilung von gelöstem Xenon in Organen wie dem Gehirn oder
dem Herzen, nach dessen Inhalation zu detektieren. Zudem wurden verschiedene
synthetische als auch biologische Strukturen identifiziert, die als temporärer
Wirt für Xenonatome fungieren. Diese Nanoträger stellen ideale Kontrastmittel
für Xenon-MRT dar, da ihre indirekte Lokalisierung mittels “chemical exchange
saturation transfer“ (CEST) hohe Sensitivität (nano- bis pikomolar) mit der
Möglichkeit zur Mehrfachdetektion, Funktionalisierung und genetischen
Kodierung verbindet. Im Rahmen dieser Arbeit konnten erhebliche Fortschritte
bei der Markierung von Zellen mit synthetischen Xenon-Nanoträgern erzielt
werden. Bei den verwendeten Nanoträgern handelt es sich um Cryptophan-A Käfige
(CrA) und Perfluorcarbon-Nanotröpfchen (PFOB). Unspezifische Zellmarkierung
mit nicht-modifiziertem CrA und PFOB wurde als eine Markierungsstrategie für
potentielle Anwendungen der Zellverfolgung etabliert. Spezifische Markierung
von zellulären Oberflächenstrukturen (CD-14, EGF-Rezeptor, metabolisch
markierte Glykane) zum Zwecke der molekularen Bildgebung wurde für drei
unterschiedlich funktionalisierte CrA-Konjugate nachgewiesen. Die verwendeten
Funktionalisierungsstrategien umfassen die modulare Konjugation mit
Antikörpern, den Einsatz von zielgerichteten Gerüststrukturen sowie die
Kopplung einer bioorthogonalen Gruppe. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass
die erzielbaren Markierungskonzentrationen (mikromolar bis nanomolar) in der
Tat ausreichend sind, um die in vitro MRT Lokalisierung von markierten Zellen
unter Ausnutzung der Signalverstärkung durch indirekte hyper-CEST Detektion zu
ermöglichen. Des Weiteren wurde die Frequenzselektivität des hyper-CEST
Prinzips zur Mehrfachdetektion von CrA- und PFOB markierten Zellen eingesetzt.
Das Konzept wurde für nicht-modifizierte Xenon-Nanoträger demonstriert und
kann in der Zukunft auf Anwendungen mit funktionalisierten Nanoträgern
übertragen werden. Weiterführende in vitro MRT-Experimente wurden in einem neu
entwickelten Bildgebungsaufbau (Bioreaktor) mit lebenden Zellen und unter
physiologischen Bedingungen durchgeführt. Der Aufbau simuliert die in vivo-
Anlieferung von Xenon durch Zellperfusion mit Xenon-gesättigtem Medium. Die
vorgelegte Studie liefert die Grundlagen für eine detaillierte in vitro-
Charakterisierung der MRT-Zellmarkierung mit Xenon-Nanoträgern. Eine solche
Charakterisierung ist die Vorrausetzung für eine erfolgreiche Übertragung des
Konzeptes hin zu präklinischen Anwendungen auf dem Gebiet der Zellverfolgung
und der molekularen Bildgebung.
de
dc.format.extent
III, 119 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
hyperpolarization
dc.subject
chemical exchange
dc.subject
molecular imaging
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
dc.title
MRI Cell-labeling with Xenon Nanocarriers
dc.contributor.firstReferee
Dr. Leif Schröder
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Christian Freund
dc.date.accepted
2015-06-01
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099677-7
dc.title.translated
MRI-Zellmarkierung mit Xenon-Nanoträgern
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000099677
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000017340
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access