Entwicklung und Evaluation von Konzepten zur Partikel-vermittelten Verfolgung transplantierter Leberzellen in der Magnetresonanztomographie

Abstract

Die Leberzelltransplantation stellt ein vielversprechendes Verfahren für die Behandlung von metabolischen Stoffwechselerkrankungen im Kindes- und Jugendalter dar. Weitere potentielle, derzeit jedoch noch nicht erfolgreich therapierbare Krankheitsbilder sind das akute und chronische Leberversagen. Der metabolische Effekt nach Leberzelltransplantation ist bislang allerdings zeitlich begrenzt. Für die erfolgreiche Weiterentwicklung der Leberzelltransplantation müssen verschiedene Fragen geklärt werden, unter anderem der optimale Applikationsweg, die Proliferation und das Langzeitüberleben der Zellen. Da Leberzellen nach Transplantation mit den klinisch etablierten Bildgebenden Verfahren nicht visualisiert werden können, sind Konzepte zur nicht-invasiven Nachverfolgung transplantierter Leberzellen erforderlich. Leberzellen können in vitro oder im Kleintiermodell nach Markierung mit nano- und mikroskaligen superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln mittels MRT visualisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein Verfahren zur Quantifizierung der Partikelmarkierung mit Eisenoxidpartikeln entwickelt. Hierauf wurde die Markierung humaner Leberzellen mit kommerziell verfügbaren Eisenoxidpartikel in vitro untersucht und gezeigt, dass mikroskalige Partikel eine effizientere Markierung ermöglichen und einen stärkeren Kontrast in der MRT erzielen als nanoskalige Partikel. Unter klinischen Bedingungen wurde im Schweinemodell gezeigt, dass die Markierung mit mikroskaligen Partikel eine Visualisierung der Mikroembolisierung transplantierter Leberzellen in der Leber ermöglicht und die Zellapplikation in die Milz unter Echtzeit-Bedingungen nachverfolgt werden kann. Da die kommerziell verfügbaren mikroskaligen Partikel aufgrund ihrer Polymer-Enkapsulierung für eine klinische Anwendung nicht geeignet sind, wurden biokompatible Silikat-basierte Partikel mit gleichen bildgebenden Eigenschaften entwickelt und durch Funktionalisierung ihrer Oberfläche mit Antisense- Oligonukleotiden für die ultralokoregionäre Stimulation transplantierter Zellen durch Depletion Proliferations-assoziierter microRNAs weiterentwickelt. Das Konzept der Partikel-vermittelten Nachverfolgung transplantierter Leberzellen in der MRT wurde für die klinische Anwendung evaluiert, durch die Entwicklung eines neuartigen theranostischen Partikels weiterentwickelt und dadurch relevante Aspekte der Leberzelltransplantation adressiert

Liver cell transplantation is a promising approach for treatment of certain metabolic liver diseases. However, the metabolic effect of hepatocyte transplantation is temporarily limited. In order to foster the development of hepatocyte transplantation, several questions have to be addressed, namely the optimal route for hepatocyte application, proliferation, and long-term survival of transplanted cells. Since hepatocytes cannot be visualized after transplantation, concepts for non non-invasive monitoring of transplanted hepatocytes are needed. Hepatocytes can be visualized in vitro and in small animal models after labeling with nano- and micrometer-sized superparamagnetic iron oxide particles. In this work, first a protocol for quantification of cellular labeling with iron particles was established. Next, labeling of human hepatocytes with commercially available iron oxide particles was evaluated. It could be shown, that particles with a micron-meter sized iron oxide core had a stronger effect on the magnetic field than nanometer-sized particles. Studies in large animal models showed that labeled hepatocytes could be tracked on a cell-cluster level, which makes this method suitable for monitoring of microembolization of transplanted cells. Cell infusion into the spleen could be visualized under real-time conditions. Since commercially available micron- meter sized iron oxide particles are based on polymer encapsulation, a biocompatible, silica-based particle was developed with comparable imaging characteristics. The particle surface was functionalized with antisense oligonucleotides for proliferation stimulation of transplanted cells by locoregional depletion of microRNAs. In conclusion, the concept of particle- based monitoring of transplanted hepatocytes by MRI could be evaluated for its clinical application. Moreover, theranostic micronmeter-sized particles were developed and used to address open questions of hepatocyte transplantation.