Metal-based Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging: Distribution in Atherosclerotic Plaques Analyzed by Elemental Microscopy

Abstract

Purpose: The value of contrast-enhanced magnetic resonance imaging (MRI) with IV administration of nonspecific contrast agents (CAs) based on iron oxide nanoparticles (IONPs) and gadolinium (Gd) is currently being investigated in characterizing atherosclerotic plaques. In this experimental dissertation study, we investigated the microdistribution of one CA representative of each of these two CA types in atherosclerotic plaques by elemental microscopy of histological sections in order to further better-understand which pathologies of the arterial wall are targeted by these CAs. Methods: This dissertation study was performed on archived tissue specimens from a previous MRI study, which examined MRI signal changes in the vessel wall induced by very small IONPs (VSOPs) and Gd-BOPTA following IV injection in a rabbit model. Analytical discrimination of VSOPs from endogenous Fe was achieved by europium (Eu) doping of the particles, resulting in Eu-VSOPs. 5 μm serial sections of formalin-fixed arterial specimens were subjected to immunohistochemistry (IHC; Movat’s pentachrome, von Kossa, Alcian blue, anti-smooth muscle cell actin (anti-SMA), and anti-rabbit macrophage (anti-RAM-11)), and elemental microscopy with laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and synchrotron radiation μX-ray fluorescence (SR-μXRF) spectroscopy. Elemental distribution maps of Fe, Eu, Gd, sulfur (S), phosphorus (P) and calcium (Ca) were analyzed. Results: IHC revealed pathomorphology of the atherosclerotic plaques. S distribution matched the anatomy of arterial vessel wall layers, and P distribution revealed cellular areas. LA-ICP-MS detected Gd and Fe with a limit of detection of ~0.1 nmol/g and ~100 nmol/g, respectively. VSOPs were identified through Eu-positive signal, which also differentiated Eu-VSOP distribution from that of endogenous Fe. ECM material correlated with Eu signal intensity, Fe concentration, and maximum Gd concentration. In early lesions, Eu-VSOPs were confined to endothelium, whereas they accumulated in cellular areas in advanced plaques. Gd distribution was homogeneous in healthy arteries and inhomogeneous in early and advanced plaques. SR-μXRF revealed Gd hotspots with increased P and Ca concentrations majorly at the intimomedial interface and diameters ranging from a few micrometers to submicrometers. Conclusions: Spatial distributions Eu-VSOPs and Gd in atherosclerotic plaques are different. Eu-VSOP distribution is more cell-associated, suggesting their use in monitoring atherosclerotic plaque progression. Gd distribution indicates arterial calcification, which might help in characterizing plaque vulnerability.

Ziel: Die Möglichkeiten einer Charakterisierung atherosklerotischer Plaques mittels Magnetresonanztomographie (MRT) unter Einsatz von i.v. applizierten unspezifischen Eisenoxid-Nanopartikel (IONP)-basierten und Gadolinium (Gd)-haltigen Kontrastmitteln (KM) sind Gegenstand der Forschung. Um ein besseres Verständnis zu erhalten, welche pathologischen Veränderungen in der Gefäßwand durch die KM markiert werden, wurde in der vorliegenden experimentellen Arbeit für je einen Vertreter dieser beiden KM-Typen die Mikroverteilung in atherosklerotischen Plaques an histologischen Präparaten mittels Elementmikroskopie untersucht. Methoden: Die vorliegende Arbeit wurde als Post-hoc-Analyse von archivierten Gewebeproben durchgeführt, die im Rahmen einer früheren In-vivo-MRT-Studie an einem Kaninchenmodell der Atherosklerose zur Untersuchung der Signaländerungen in der Gefäßwand nach i.v. Injektion sehr kleiner IONP (VSOP) und Gd-BOPTA gewonnen wurden. Zur Unterscheidung von endogenem Fe wurde Europium-dotiertes VSOP (Eu-VSOP) verwendet. Serienschnitte (5 μm) von Formalin-fixierten Gefäßwandpräparaten wurden mittels IHC (Movat-Pentachrom, von Kossa und Alcian), IHC (anti-smooth muscle cell actin (Anti-SMA) und Anti-Kaninchen-Makrophagen (Anti-RAM 11)) gefärbt und mittels Elementmikroskopie (Laserablation mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) und Synchrotronstrahlungs-basierter Mikro-Röntgen-Fluoreszenz (SR-μXRF) Spektroskopie untersucht und hieraus Elementverteilungskarten von Fe, Eu, Gd, Schwefel (S), Phosphor (P) und Calcium (Ca) erzeugt. HC, IHC und Elementverteilungen wurden verglichen. Ergebnisse: Mittels IHC konnte die Pathomorphologie atherosklerotischer Plaques charakterisiert werden. Die Elementarmikroskopie zeigte, dass die S-Verteilung dem anatomischen Aufbau der arteriellen Gefäßwandschichten folgt, während die P-Verteilung zellreiche Areale anzeigt. LA-ICP-MS hatte eine Nachweisgrenze von ~ 0,1 nmol/g für Gd sowie von ~ 100 nmol/g für Fe. Das Eu-positive Signal identifizierte das Vorhandensein von VSOP in der Gefäßwand und ermöglichte die Abgrenzung von Eu-VSOP gegenüber der Verteilung von endogenem Fe. ECM-Material korrelierte mit dem Eu-Signal, der Fe-Konzentration und der maximalen Gd-Konzentration. Eu-VSOP war in frühen Läsionen auf das Endothel beschränkt, während es in fortgeschrittenen Plaques mit zellreichen Arealen korrelierte. Die Gd-Verteilung war in gesunden Arterien homogen, in frühen und fortgeschrittenen Plaques jedoch inhomogen. SR-μXRF-Scans mit einer Auflösung von 0,5 μm zeigten Gd-Hotspots mit zusätzlich erhöhten P- und Ca-Konzentrationen am intimomedialen Übergang und Durchmessern im Bereich von einigen Mikrometern bis zu Submikrometern. Schlussfolgerungen: Eu-VSOP und Gd weisen unterschiedliche räumliche Verteilungen in atherosklerotischen Plaques auf. Während die Verteilung von Eu-VSOP stärker zellassoziiert ist und zur Überwachung des Fortschreitens von atherosklerotischen Plaques verwendet werden kann, weist die Gd-Verteilung auf eine arterielle Verkalkung hin und kann bei der Charakterisierung der Plaque-Vulnerabilität hilfreich sein.