Im Kontext komplexer zellulärer Prozesse stellen Phosphopeptide essentielle bioaktive Verbindungen dar, die mit Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen eng verbunden sind. Diese Prozesse sind in die Regulation nahezu jeder zellulären Funktion involviert und spielen damit ebenso im Falle von Erkrankungen eine tragende Rolle. Synthetische Phosphopeptide könnten in Form molekularer Sonden zur Charakterisierung dieser physiologisch fundamentalen Prozesse beitragen. Die radiopharmazeutische Forschung brachte in den letzten zwei Jahrzehnten zahlreiche radiomarkierte Peptide für das Peptidrezeportargeting im Rahmen der Tumordiagnose und -therapie hervor. Unter diesen regulatorischen Peptiden mit vorwiegend neuroendokrinem Ursprung sind bisher keine radiomarkierten Phosphopeptide für die Anwendung in der molekularen Bildgebung bekannt. Das Anliegen dieser Arbeit ist es, grundlegende Erkenntnisse zur Synthese und Markierung von Phosphopeptiden zu erlangen. Neben der Etablierung der Radiomarkierung von Phosphopeptiden mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 und deren radiopharmakologischen Charakterisierung steht auch die Fluoreszenzmarkierung mit dem Fluorophor 5(6)-Carboxyfluorescein (CF) im Fokus. Phosphopeptidliganden der kürzlich identifizierten Polo-Box-Domäne (PBD) als Phosphopeptid-bindende Proteindomäne der Zellzykluskinase Plk1, die ebenso ein interessantes onkologisches Target darstellt, wurden für diese Arbeit als Model ausgewählt. Es stand ein Repertoire verschiedenster Methoden zur Verfügung, welche molekulare Bildgebung mittels Kleintier-PET, wie auch optische Bildgebung und die Radiomarkierung mittels klassischer und Mikrofluidik-Technik beinhalten. Im ersten Abschnitt der Promotion wurden kürzlich vorgestellte Plk1-PBD-gerichtete Phosphopeptide mit einer Ser-pThr-Kernsequenz ausgewählt und deren Darstellung mit der Fmoc-gestützten orthogonalen Festphasenpeptidsynthese (SPPS) vollzogen. Dabei erfolgt die Umsetzung nach dem Prinzip des Synthon-basierten Ansatzes, der den Einsatz des monobenzylierten Phosphothreonin-Bausteines involviert. Das Uronium-basierte Kupplungs- und Aktivierungsreagenz HBTU/HOBt/DIPEA, sowie das Abspaltreagenz TFA/Wasser/Thioanisol/EDT als eine modifizierte Variante des Reagenz K garantiert die zuverlässige Synthese von Phosphopeptiden unter Erhalt der Phosphatfunktion. Zur Charakterisierung der Peptide wurden HPLC und Massenspektrometrie als geeignete Methoden herangezogen. An die erfolgreiche Darstellung von Phosphopeptiden schloss sich im Weiteren die Ausarbeitung einer zuverlässigen Radiomarkierungsstrategie mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 an. Das bifunktionelle, aminogruppenselektive Agenz N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoat ([18F]SFB) ist für eine indirekte und milde Markierung von Peptiden geeignet. Durch Optimierung der N-terminalen 18F-Fluorbenzoylierung des Phosphopeptides MQSpTPL 2 hinsichtlich der Verwendung eines 0,05 M Na2HPO4-Puffers (pH 9) als Reaktionsmedium bei geringer Peptidmenge (0,5 mg), sowie 40°C Reaktionstemperatur und 30 min Reaktionszeit kann das 18F-markierte Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 in guten radiochemischen Ausbeuten von 25-28%, mit entsprechender radiochemischer Reinheit >95% mittels HPLC-Reinigung und guter spezifischer Aktivität (20-40 GBq/µmol) hergestellt werden. Der Einsatz von Peptiden ist für die molekulare Bildgebung besonders attraktiv, jedoch oftmals durch ihre Instabilität in vivo, ausgelöst durch ubiquitär vorhandene endogene Peptidasen, limitiert. Beispielsweise besitzt ein N-terminal 18F-fluorbenzoyliertes Neurotensin(8-13) eine biologische Halbwertszeit von weniger als 5 min in vivo. Mit dem neuartigen 18F-markierten Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 wurde ein Peptid geschaffen, das in vitro und besonders in vivo außerordentlich hohe Stabilität von > 50% nach 60 min aufweist und damit wegweisende Eigenschaften für die Entwicklung neuer stabiler Radiopeptide für die molekulare Bildgebung aufzeigt. Da Phosphopeptiden aufgrund ihrer negativgeladenen Phosphatfunktionalität ein intrazellulärer Zugang verwehrt bleibt, wie auch in dieser Arbeit an den Tumorzelllinien HT-29 und FaDu nachgewiesen wurde, steht die Realisierung einer verbesserten intrazellulären Internalisierung von Phosphopeptiden im Blickfeld des zweiten Teils der Promotion. Der Versuch einer gezielten Zellaufnahme über rezeptorinternalisierende Peptide wurde mit dem Neuropeptidhormon Neurotensin(8-13) (NT(8-13)), welches über einen G-Protein-gekoppelten Mechanismus in die Zelle gelangt, beschritten. Jedoch zeigte ein Triazol-verbrücktes Konjugat 8 aus NT(8-13) als molekularer Transporter und dem Phosphopeptid MQSpTPL 2, welches auf Basis der Azid-Alkin-Click-Chemie synthetisiert wurde, anhand seiner niedrigen Bindungsaffinität (IC50 = 8,33 µM) kein Potential zu einer erfolgreichen Zellinternalisierung des Phosphopeptides. Vermittler eines rezeptorunabhängigen molekularen Zelltransportes stellen zellpenetrierende Peptide (CPP) dar. Versuche mit den derzeit kürzesten CPPs, den zellpenetrierenden Pentapeptiden (CPP5) oder auch Bax-Inhibitoren genannt, waren nicht erfolgreich. Zwei weitere, in dieser Arbeit verwendete, potente CPPs sind sC18, abgeleitet aus dem antimikrobiellen Peptid Cathelicidin, sowie hCT(18-32)-k7, einem verzweigten Calcitonin-Derivat. Mit den Phosphopeptid-CPP-konjugierten Verbindungen MQSpTPL-sC18 2-CPP1 und MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 2-CPP2 wurden nicht-toxische Konstrukte geschaffen, die eine definierte Aufnahme in HeLa, MCF-7 und HT-29 Zellen aufweisen, wie nach Markierung mit dem Fluoreszenzfarbstoff 5(6)-Carboxfluorescein (CF) mittels optischer Bildgebung nachgewiesen werden konnte. Die Integration und Anwendung der Mikrofluidik-Technik im Rahmen der Darstellung der N-terminal 18F-fluorbenzoylierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate [18F]FBz-MQSpTPL-sC18 [18F]2-CPP3 und [18F]FBz-MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 [18F]2-CPP4 weist im Vergleich zur konventionellen Radiomarkierung entscheidende Vorteile auf. In Anwesenheit der für die [18F]SFB-Markierung reaktiven ε-NH2-Gruppen in den CPP-Fragmenten zeichnet sich im Rahmen der mikrofluiden Markierung entscheidende Selektivität für den N-Terminus der Peptide ab. Die radiochemischen Markierungsausbeuten betragen 21% für [18F]2-CPP3 und 26% für [18F]2-CPP4, im Vergleich zu 2-4% für [18F]2-CPP3 und [18F]2-CPP4 bei klassischer Markierung. In Zellaufnahmestudien wurde ebenfalls eine Internalisierung der 18F-markierten Konjugate in FaDu, HT-29 und MCF-7 Zellen bestätigt, die in allen drei Zelllinien vergleichbar ist und um 40% ID/mg Protein liegt. Wie auch das 18F-markierte Hexaphosphopeptid selbst in Wistar-Unilever-Ratten, zeigten die 18F-markierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate in Kleintier-PET-Untersuchungen in Balb/C-Mäusen (Normaltiere) die für ein radiomarkiertes Peptid typische Bioverteilung. Hierbei ist eine renale Exkretion eingeschlossen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, erstmals 18F-markierte Phosphopeptide mit zellpenetrierenden Eigenschaften für die molekulare Bildgebung zu entwickeln. Diese neuen zellpenetrierenden Phosphopeptide stehen für die Untersuchung intrazellulärer Prozesse, die auf Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsprozessen basieren, zur Verfügung.

Phosphodiesterase 2A (PDE2A) is highly expressed in distinct areas of the brain, which are known to be related to neuropsychiatric diseases. The development of suitable PDE2A tracers for Positron Emission Tomography (PET) would permit the in vivo imaging of the PDE2A and evaluation of disease-mediated alterations of its expression. A series of novel fluorinated PDE2A inhibitors on the basis of a Benzoimidazotriazine (BIT) scaffold was prepared leading to a prospective inhibitor for further development of a PDE2A PET imaging agent. BIT derivatives (BIT1–9) were obtained by a seven-step synthesis route, and their inhibitory potency towards PDE2A and selectivity over other PDEs were evaluated. BIT1 demonstrated much higher inhibition than other BIT derivatives (82.9% inhibition of PDE2A at 10 nM). BIT1 displayed an IC50 for PDE2A of 3.33 nM with 16-fold selectivity over PDE10A. This finding revealed that a derivative bearing both a 2-fluoro-pyridin-4-yl and 2-chloro-5-methoxy-phenyl unit at the 8- and 1-position, respectively, appeared to be the most potent inhibitor. In vitro studies of BIT1 using mouse liver microsomes (MLM) disclosed BIT1 as a suitable ligand for 18F-labeling. Nevertheless, future in vivo metabolism studies are required.

Background: Alterations of hypothalamic–pituitary–adrenal (HPA) axis activity and serotonergic signaling are implicated in the pathogenesis of human obesity and may contribute to its metabolic and mental complications. The association of these systems has not been investigated in human obesity. Objective: To investigate the relation of HPA responsiveness and serotonin transporter (5-HTT) availability in otherwise healthy individuals with obesity class II or III (OB) compared to non-obesity controls (NO). Study participants: Twenty-eight OB (21 females; age 36.6 10.6 years; body mass index (BMI) 41.2 5.1 kg/m2) were compared to 12 healthy NO (8 females; age 35.8 7.4 years; BMI 22.4 2.3 kg/m2), matched for age and sex. Methods: HPA axis responsiveness was investigated using the combined dexamethasone/corticotropin-releasing hormone (dex/CRH) test, and curve indicators were derived for cortisol and adrenocorticotropic hormone (ACTH). The 5-HTT selective tracer [11C]DASB was applied, and parametric images of the binding potentials (BPND) were calculated using the multilinear reference tissue model and evaluated by atlas-based volume of interest (VOI) analysis. The self-questionnaires of behavioral inhibition system/behavioral activation system (BIS/BAS) with subscales drive, fun-seeking and reward were assessed. Results: OB showed significant positive correlations of ACTH curve parameters with overall 5-HTT BPND (ACTHAUC: r = 0.39, p = 0.04) and 5-HTT BPND of the caudate nucleus (ACTHAUC: r = 0.54, p = 0.003). In NO, cortisol indicators correlated significantly with BPND in the hippocampus (cortisolAUC: r = 0.59, p = 0.04). In OB, BAS reward was inversely associated with the ACTHAUC (r = 0.49, p = 0.009). Conclusion: The present study supports a serotonergic-neuroendocrine association, which regionally differs between OB and NO. In OB, areas processing emotion and reward seem to be in-volved. The finding of a serotonergic HPA correlation may have implications for other diseases with dysregulated stress axis responsiveness, and for potential pharmacologic interven-tions.

Eine der drei Säulen der Krebsbehandlung ist die Strahlentherapie. Einer der neuesten Ansätze hierbei ist die Bestrahlung mit Ionen, zurzeit insbesondere Protonen und Kohlenstoffionen. Diese Hochpräzisionstherapie erfordert ein hohes Maß an Kontrolle, da die applizierte Dosisverteilung sehr empfindlich von Dichteveränderungen im durchstrahlten Gewebe abhängt. Das bisher einzige klinisch eingesetzte Verfahren zur in vivo Überwachung der Dosisapplikation bei Ionenbestrahlungen ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Sie ermöglicht eine Verifikation der Teilchenreichweite sowie der Lage des Bestrahlungsfeldes. Die mit der PET-Methode gemessene Aktivitätsverteilung lässt sich jedoch nicht direkt mit der geplanten Dosisverteilung vergleichen. Daher ist eine Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung auf der Grundlage des Bestrahlungsplanes notwendig, welche dann mit der Messung verglichen wird und eine qualitative Beurteilung der Bestrahlung ermöglicht. Die Vorherberechnung der erwarteten Aktivitätsverteilung erfordert bislang die Kenntnis einer Vielzahl von Wirkungsquerschnitten. Nur für wenige dieser Wirkungsquerschnitte liegen jedoch Messdaten im benötigten Energiebereich und mit ausreichender Genauigkeit vor. Daher verwenden viele Monte-Carlo-Simulationen intrinsische Kernmodelle oder semi-empirische Modellierungen, die häufig eine unzureichende Genauigkeit aufweisen. In Fachkreisen ist bisher noch nicht geklärt, welches die optimale Ionensorte für die Tumortherapie ist. Insbesondere Lithiumionen weisen aufgrund ihrer physikalischen und radiobiologischen Eigenschaften ein großes Potenzial auf. Auch für Bestrahlungen mit diesen Ionen ist ein PET-Monitoring der Therapie erstrebenswert. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Anwendbarkeit der Reichweite-Verifikation mittels PET bei Bestrahlung mit Lithiumionen gezeigt. Des Weiteren wird ein Konzept zur Modellierung der Positronenemitter-Verteilung ohne Kenntnis der Wirkungsquerschnitte entwickelt. Diese Vorhersage beruht auf in Referenzmaterialien (Wasser, Graphit und Polyethylen) gemessenen tiefenabhängigen Positronenemitter-Yields, mit welchen durch geeignete Linearkombination die Verteilung der Positronenemitter in beliebigen Materialien bekannter Stöchiometrie vorausberechnet werden kann. Die Anwendbarkeit des Yield-Konzeptes wird gezeigt für Lithium- und Kohlenstoffbestrahlungen homogener Polymethylmethacrylat (PMMA) Targets sowie verschiedener inhomogener Targets. / One of the three main tumour treatment forms is radiation therapy. Here, the application of ion beams, in particular protons and carbon ions, is of growing importance. This high precision therapy requires a consequent monitoring of the dose delivery since the induced dose deposition is very sensitive to density changes in the irradiated tissue. Up to now, positron emission tomography (PET) is the only in vivo method in clinical use for monitoring the dose deposition in ion beam therapy. It allows for the verification of the particle range as well as the position of the irradiation field. The distribution of activity measured by means of PET cannot be compared directly to the planned dose distribution. Thus, a calculation of the expected activity distribution is required which then can be compared to the measurement. Simulation of the expected activity distribution requires the exact knowledge of various cross sections. Only a few of them have been measured in the required energy range so far. Therefore, in Monte Carlo simulations often intrinsic nuclear models or semi-empirical parametrization are used which often exhibit insufficient accuray. Among experts the question on the optimum ion species for tumour therapy is still open. Especially lithium ions exhibit a great potential due to their favourable physical and radiobiological properties. Also for these ions a PET monitoring is highly desirable. The presented work shows the feasibility of range verification by means of PET for lithium irradiation. Furthermore, a concept for modeling positron emitter distributions without the knowledge of cross sections is developed. This prediction is based on depth-dependent positron emitter yields measured in reference materials (water, graphite and polyethylene). With these data the positron emitter distribution in any material of known stoichiometry can be calculated by means of an appropriate linear combination. The feasibility of the yield concept is shown for lithium and carbon irradiation, respectively, of homogeneous polymethyl methacrylate (PMMA) as well as various inhomogeneous targets.

<p>Neuroendocrine tumors (NET´s) are often characterized by overproduction of peptide hormones. In spite of pronounced clinical symptoms, the tumor lesions can be small and difficult to detect. The general aim of this thesis was to investigate, in vitro and in vivo, some of the potential monoamine pathways present in NET´s, using radiolabeled tracers for positron emission tomography (PET), with the intention to explore the value of PET-imaging in the management of NET´s.</p><p>We used the 11C-labeled serotonin precursor 5-hydroxy tryptophan (HTP) as the tracer for imaging of NET´s. More than 95% of the subjects displayed a high tracer uptake on PET and tumor detection rate with PET was higher in >50% of the patients compared both to computed tomography (CT) and somatostatin receptor scintigraphy (SRS). The primary tumor was imaged by PET in 84% (16/19), compared to 47% and 42% for SRS and CT, respectively. Tumor visibility was better with PET due to a higher tumor-to-background ratio and a better spatial resolution. There was a strong correlation (r = .907) between changes in urinary-5-hydroxy indole acetic acid and changes in transport rate of 11C-5-HTP during treatment, indicating the use of PET in treatment monitoring of NET´s. </p><p>Pretreatment with carbidopa decreased the urinary radioactivity concentration four-fold and significantly (p<0.001) increased the tumor tracer uptake. This greatly improved image interpretation and tumor lesion detection.</p><p>A screening for expression of monoamine pathways in NET´s revealed a high in vitro binding of the monoamineoxidase-A ligand harmine to tumor sections. PET examinations with 11C-harmine could visualize tumors in all patients, including non-functioning endocrine pancreatic tumors (EPT´s).</p><p>Finally, the in vitro turnover and in vivo distribution of the amino acids glutamate, glutamine and aspartate was investigated. Limited uptake in vivo indicates the lack of utility for these substances as PET-tracers for imaging and characterization of NET´s. </p>

Neuroendocrine tumors (NET´s) are often characterized by overproduction of peptide hormones. In spite of pronounced clinical symptoms, the tumor lesions can be small and difficult to detect. The general aim of this thesis was to investigate, in vitro and in vivo, some of the potential monoamine pathways present in NET´s, using radiolabeled tracers for positron emission tomography (PET), with the intention to explore the value of PET-imaging in the management of NET´s. We used the 11C-labeled serotonin precursor 5-hydroxy tryptophan (HTP) as the tracer for imaging of NET´s. More than 95% of the subjects displayed a high tracer uptake on PET and tumor detection rate with PET was higher in &gt;50% of the patients compared both to computed tomography (CT) and somatostatin receptor scintigraphy (SRS). The primary tumor was imaged by PET in 84% (16/19), compared to 47% and 42% for SRS and CT, respectively. Tumor visibility was better with PET due to a higher tumor-to-background ratio and a better spatial resolution. There was a strong correlation (r = .907) between changes in urinary-5-hydroxy indole acetic acid and changes in transport rate of 11C-5-HTP during treatment, indicating the use of PET in treatment monitoring of NET´s. Pretreatment with carbidopa decreased the urinary radioactivity concentration four-fold and significantly (p&lt;0.001) increased the tumor tracer uptake. This greatly improved image interpretation and tumor lesion detection. A screening for expression of monoamine pathways in NET´s revealed a high in vitro binding of the monoamineoxidase-A ligand harmine to tumor sections. PET examinations with 11C-harmine could visualize tumors in all patients, including non-functioning endocrine pancreatic tumors (EPT´s). Finally, the in vitro turnover and in vivo distribution of the amino acids glutamate, glutamine and aspartate was investigated. Limited uptake in vivo indicates the lack of utility for these substances as PET-tracers for imaging and characterization of NET´s.

Krebserkrankungen stellen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache dar und die Anzahl der Neuerkrankungen nimmt stetig zu. Frühzeitige Diagnosen und Therapiemöglichkeiten sind daher dringend erforderlich. Cyklinabhängige Proteinkinasen (Cdk) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Zellzyklus. Viele Tumore zeigen eine deregulierte Cdk4‑Aktivität und/oder ‑Expression. Insgesamt zeigen ca. 80% aller Tumore eine Fehlregulation der für den Zellzyklus zentralen Cdk4/CykD1/INK4/pRb/E2F Signalkaskade. Somit besitzen Cdks ein enormes therapeutisches Potential im Kampf gegen Krebs. Die spezifische Inhibierung der Cdks verhindert die Zellproliferation und damit das Tumorwachstum. In den letzten Jahren wurden verschiedenste Strukturklassen vorgestellt, die als Cdk4-Inhibitor wirken. Im Rahmen der Promotion sollen die Möglichkeiten einer funktionellen Tumordiagnose mittels cyklinabhängiger Kinasen untersucht werden. Die Entwicklung von radioaktiv markierten Inhibitoren der Cdk4/6 als Radiotracer und ihre radiopharmakologische Charakterisierung stellt dabei einen neuen Ansatz dar. Um die Rolle der Cdk4/6 im Zellzyklus von gesunden und deregulierten (z.B. Tumor-) Zellen aufzuklären, sollten mit Iod-124 und Fluor-18 markierte Inhibitoren eingesetzt werden, die hochselektiv diese Cdks blockieren. Zunächst wurden verschiedene Inhibitoren der Cdk4/6 und deren Vorstufen für die Radiomarkierung dargestellt. Die bereits aus den Vorarbeiten von VanderWel et al., 2005 und Toogood et al., 2001 bekannten Syntheserouten mussten dazu optimiert werden und für neue Verbindungen, wie die fluorethylierten Substanzen, wurden neue Reaktionswege gefunden. Die dargestellten Referenzverbindungen CKIA-E wurden anschließend mittels Durchflusszytometrie an den Zelllinien HT-29 und FaDu auf ihre inhibitorischen Wirkung untersucht. Die Untersuchungen der Verbindungen CKIA/B/E zeigte, dass ein Zellzyklusarrest unter Einwirkung der Inhibitoren erreichbar ist. Die weiteren Untersuchungen zur Radiomarkierbarkeit sowie die radiopharmakologische Evaluation sollten daher an den Verbindungen CKIA, CKIB und CKIE stattfinden. Die Darstellung der Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB erfolgte in zwei Schritten über die elektrophile Substitution durch regioselektive Destannylierung mit anschließender Entschützung der Seitenkette. Die Darstellung der fluorethylierten Verbindung erfolgte ebenfalls über eine Zweischrittsynthese beginnend mit der Synthese der prosthetischen Gruppe [18F]BFE aus der Tosylmarkierungsvorstufe. Die zur Markierung des sekundären Amins zur Auswahl stehenden prosthetischen Gruppen [18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [18F]Bromfluorethan ([18F]BFE) wurden auf ihre Eignung untersucht, ebenso wie die Auswahl einer geeigneten Markierungsvorstufe für die Darstellung der prosthetischen Gruppe. Die optimierten Syntheserouten ermöglichten die Isolierung von ausreichenden Mengen an Produktaktivität für die radiopharmakologischen Untersuchungen. Es fanden, neben der Bestimmung der spezifischen Aktivität und der Lipophilie der Verbindungen, Zellaufnahmeuntersuchungen und Bestimmungen zur Stabilität der Verbindungen in vitro, ex vivo und in vivo statt. Die radioiodierten Verbindungen konnten des Weiteren zur Untersuchungen der Bioverteilung in normalen männlichen Wistar-Ratten eingesetzt werden. Für alle drei Verbindungen konnte eine sehr hohe in vitro-Stabilität festgestellt werden. Die Zellaufnahmeuntersuchungen zeigten vor allem für die Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB eine beträchtliche Zellaufnahme von über 1000% ID/mg Protein nach 2 h. Die Zellaufnahme der Verbindung CKIE ist geringer, sollte allerdings für eine in vivo-Anwendung ausreichend sein. Die Untersuchung der in vivo‑Stabilität der Verbindungen [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE im Blut von Wistar Ratten ergab allerdings, dass alle Verbindungen schnell metabolisiert werden. Die Untersuchung der Bioverteilung der radioiodierten Verbindungen belegen eine in vivo Radiodeiodierung sowie eine hohe hepatobliliäre Auscheidungsrate. Im Hinblick auf eine Anwendung als Radiotracer konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die dargestellten Inhibitoren sind in der Lage am Zellmodell den Zellzyklusarrest in der G1-Phase zu induzieren. Eine Radiomarkierung der ausgewählten Strukturen liefert das Produkt mit reproduzierbarer Ausbeute in hoher radiochemischer Reinheit und ausreichender spezifischer Aktivität, allerdings ist eine Herstellung der fluorethylierten Verbindung unter GMP-Bedingungen nur schwer realisierbar. Die radiomarkierten Verbindungen zeigen eine hohe in vitro-Stabilität und werden energieabhängig in die Zelle aufgenommen. Anhand der Stabilitätsuntersuchungen in vivo wurde gezeigt, dass alle drei Verbindungen in vivo instabil sind und sehr schnell hepatobiliär eliminiert.

The aim of this Thesis is the development of stopping rule methods for the MLEM and OSEM algorithms used in image reconstruction positron emission tomography (PET). The development of the stopping rules is based on the study of the properties of both algorithms. Analyzing their mathematical expressions, it can be observed that the pixel updating coefficients (PUC) play a key role in the upgrading process of the reconstructed image from iteration k to k+1. For the analysis of the properties of the PUC, a PET scanner geometry was simulated using Monte Carlo methods. For image reconstruction using iterative techniques, the calculation of the transition matrix is essential. And it fully depends on the geometrical characteristics of the PET scanner. The MLEM and OSEM algorithms were used to reconstruct the projection data. In order to compare the reconstructed and true images, two figures of merit (FOM) were used; a) the Normalized Root Mean Square Deviation (NRMSD) and b) the chi-square χ2. The behaviour of the PUC C values for a zero and non-zero pixel in the phantom image was analyzed and it has been found different behavior for zero and non-zero pixels. Based on this assumption, the vector of all C values was analyzed for all non-zero pixels of the reconstructed image and it was found that the histograms of the values of the PUC have two components: one component around C(i)=1.0 and a tail component, for values C(i)<1.0. In this way, a vector variable has been defined, where I is the total number of pixels in the image and k is the iteration number. is the minimum value of the vector of the pixel updating coefficients among the non-zero pixels of the reconstructed image at iteration k. Further work was performed to find out the dependence of Cmin on the image characteristics, image topology and activity level. The analysis shows that the parameterization of Cmin is reliable and allows the establishment of a robust stopping rule for the MLEM algorithm. Furthermore, following a different approach, a new stopping rule using the log-likelihood properties of the MLEM algorithm has been developed. The two rules were evaluated using the independent Digimouse phantom. The study revealed that both stopping rules produce reconstructed images with similar properties. The same study was performed for the OSEM algorithm and a stopping rule for the OSEM algorithm dedicated to each number of subset was developed. / Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη κριτηρίων παύσης για τους επαναληπτικούς αλγόριθμους (MLEM και OSEM) που χρησιμοποιούνται στην ανακατασκευή ιατρικής εικόνας στους τομογράφους εκπομπής ποζιτρονίου (PET). Η ανάπτυξη των κριτηρίων παύσης βασίστηκε στη μελέτη των ιδιοτήτων των αλγόριθμων MLEM & OSEM. Απο τη μαθηματική έκφραση των δύο αλγορίθμων προκύπτει ότι οι συντελεστές αναβάθμισης (ΣΑ) των pixels της εικόνας παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανακατασκευή της απο επανάληψη σε επανάληψη. Για την ανάλυση ένας τομογράφος PET προσομοιώθηκε με τη χρήση των μεθόδων Μόντε Κάρλο.Για την ανακατασκευή της εικόνας με τη χρήση των αλγόριθμων MLEM και OSEM, υπολογίστηκε ο πίνακας μετάβασης. Ο πίνακας μετάβασης εξαρτάται απο τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του τομογράφου PET και για τον υπολογισμό του χρησιμοποιήθηκαν επίσης μέθοδοι Μόντε Κάρλο. Ως ψηφιακά ομοιώματα χρησιμοποιήθηκαν το ομοίωμα εγκεφάλου Hoffman και το 4D MOBY. Για κάθε ένα απο τα ομοιώματα δημιουργήθηκαν προβολικά δεδομένα σε διαφορετικές ενεργότητες. Για τη σύγκριση της ανακατασκευασμένης και της αρχικής εικόνας χρησιμοποιήθηκαν δύο ξεχωριστοί δείκτες ποίοτητας, το NRMSD και το chi square. Η ανάλυση έδειξε οτι οι ΣΑ για τα μη μηδενικά pixels της εικόνας τείνουν να λάβουν την τιμή 1.0 με την αύξηση των επαναλήψεων, ενώ για τα μηδενικά pixels αυτό δε συμβαίνει. Αναλύοντας περισσότερο το διάνυσμα των ΣΑ για τα μη μηδενικά pixels της ανακατασκευασμένης εικόνας διαπιστώθηκε ότι αυτό έχει δύο μέρη: α) Μια κορυφή για τιμές των ΣΑ = 1.0 και β) μια ουρά με τιμές των ΣΑ<1.0. Αυξάνοντας τις επαναλήψεις, ο αριθμός των pixels με ΣΑ=1.0 αυξάνονταν ενώ ταυτόχρονα η ελάχιστη τιμή του διανύσματος των ΣΑ μετακινούνταν προς το 1.0. Με αυτό τον τρόπο προσδιορίστηκε μια μεταβλητή της μορφής όπου N είναι ο αριθμός των pixels της εικόνας, k η επανάληψη και η ελάχιστη τιμή του διανύσματος των ΣΑ. Η ανάλυση που έγινε έδειξε ότι η μεταβλητή Cmin συσχετίζεται μόνο με την ενεργότητα της εικόνας και όχι με το είδος ή το μέγεθός της. Η παραμετροποίηση αυτής της σχέσης οδήγησε στην ανάπτυξη του κριτηρίου παύσης για τον MLEM αλγόριθμο. Μια άλλη προσέγγιση βασισμένη στις ιδιότητες πιθανοφάνειας του MLEM αλγόριθμου, οδήγησε στην ανάπτυξη ενός διαφορετικού κριτηρίου παύσης του MLEM. Τα δύο κριτήρια αποτιμήθηκαν με τη χρήση του ομοιώματος Digimouse και βρέθηκε να παράγουν παρόμοιες εικόνες. Η ίδια μελέτη έγινε και για τον OSEM αλγόριθμο και αναπτύχθηκε κριτήριο παύσης για διαφορετικό αριθμό subsets.

Cette thèse étudie le traitement statistique des images TEP. Plus particulièrement, la distribution binomiale négative est proposée pour modéliser l’activité d’une région mono-tissulaire. Cette représentation a l’avantage de pouvoir prendre en compte les variations d’activité biologique (ou hétérogénéité) d’un même tissu. A partir de ces résultats, il est proposé de modéliser la distribution de l’image TEP entière comme un mélange spatialement cohérent de lois binomiales négatives. Des méthodes Bayésiennes sont considérées pour la segmentation d’images TEP et l’estimation conjointe des paramètres du modèle. La cohérence spatiale inhérente aux tissus biologiques est modélisée par un champ aléatoire de Potts-Markov pour représenter la dépendance locale entre les composantes du mélange. Un algorithme original de Monte Carlo par Chaîne de Markov (MCMC) est utilisé, faisant appel aux notions d’échantillonnage dans un espace Riemannien et d’opérateurs proximaux. L’approche proposée est appliquée avec succès à la segmentation de tumeurs en imagerie TEP. Cette méthode est ensuite étendue d’une part en intégrant au processus de segmentation des informations anatomiques acquises par tomodensitométrie (TDM), et d’autre part en traitant une série temporelle d’images correspondant aux différentes phases de respiration. Un modèle de mélange de distributions bivariées binomiale négative - normale est proposé pour représenter les images dynamiques TEP et TDM fusionnées. Un modèle Bayésien hiérarchique a été élaboré comprenant un champ de Potts-Markov à quatre dimensions pour respecter la cohérence spatiale et temporelle des images PET-TDM dynamiques. Le modèle proposé montre une bonne qualité d’ajustement aux données et les résultats de segmentation obtenus sont visuellement en concordance avec les structures anatomiques et permettent la délimitation et le suivi de la tumeur. / This thesis studies statistical image processing of PET images. More specifically, the negative binomial distribution is proposed to model the activity of a single tissue. This representation has the advantage to take into account the variations of biological activity (or heterogeneity) within a single tissue. Based on this, it is proposed to model the data of the entire PET image as a spatially coherent finite mixture of negative binomial distributions. Bayesian methods are considered to jointly perform the segmentation and estimate the model parameters. The inherent spatial coherence of the biological tissue is modeled by a Potts-Markov random field to represent the local dependence between the components of the mixture. An original Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm is proposed, based on sampling in a Riemannian space and proximal operators. The proposed approach is successfully applied to the segmentation of tumors in PET imaging. This method is further extended by incorporating anatomical information acquired by computed tomography (CT) and processing a time series of images corresponding to the phases of respiration. A mixture model of bivariate negative binomial - normal distributions is proposed to represent the dynamic PET and CT fused images. A hierarchical Bayesian model was developed including a four dimensional Potts-Markov field to enforce the spatiotemporal coherence of dynamic PET-CT images. The proposed model shows a good fit to the data and the segmentation results obtained are visually consistent with the anatomical structures and allow accurate tumor delineation and tracking.

Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement d’une médecine davantage personnalisée et préventive, pour laquelle la fusion d’informations multi modale et de différentes représentations d'une même modalité sont nécessaires afin d'aboutir à une quantification fiable des images médicales en oncologie. Dans cette étude nous présentons deux applications de traitement et d'analyse des images médicales: le débruitage des images TEP et la détermination des volumes anatomo-fonctionnels des tumeurs en imagerie multi modale TEP/TDM. Pour le débruitage des images TEP, nous avons mis en place une approche intitulée "WCD" permettant de bénéficier des caractéristiques complémentaires de la transformée en ondelettes et la transformée en Curvelets afin de mieux représenter les structures isotropiques et anisotropiques dans ces images, ce qui permet de réduire le bruit tout en minimisant les pertes d'informations utiles dans les images TEP. En ce qui concerne la deuxième application, nous avons proposé une méthode de segmentationTEP/TDM intitulée "WCHMT" permettant d'exploiter la spécificité des arbres de Markov caché de prendre en compte les dépendances statistiques entre l’ensemble des données. Ce modèle permet de gérer simultanément les propriétés complémentaires de l’imagerie fonctionnelle et l’imagerie morphologique dans un cadre unifié où les données sont représentées dans le domaine des Contourlets. Le débruitage en TEP a abouti à une hausse significative du rapport signal sur-bruit (SNR) en garantissant la moindre variation de l'intensité et du contraste local. Quant à la segmentation multimodale TEP/TDM, elle a démontré une bonne précision lors de la détermination du volume tumoral en terme du coefficient de Dice (DSC) avec le meilleur compromis entre la sensibilité (SE) et la valeur prédictive positive (PPV) par rapport à la vérité terrain. / This thesis is a part of the development of more personalized and preventive medicine, for which a fusion of multi modal information and diverse representations of the same modality is needed in order to get accurate and reliable quantification of medical images in oncology. In this study we present two applications for image processing analysis: PET denoising and multimodal PET/CT tumor segmentation. The PET filtering approach called "WCD" take benefit from the complementary features of the wavelet and Curvelets transforms in order to better represent isotropic and anisotropic structures in PET images. This algorithm allows the reduction of the noise while minimizing the loss of useful information in PET images. The PET/CT tumor segmentation application is performed through a Markov model as a probabilistic quadtree graph namely a Hidden Markov Tree (HMT).Our motivation for using such a model is to provide fast computation, improved robustness and an effective interpretational framework for image analysis on oncology. Thanks to two efficient aspects (multi observation and multi resolution), when dealing with Hidden Markov Tree (HMT), we exploit joint statistical dependencies between hidden states to handle the whole data stack. This model called "WCHMT" take advantage of the high resolution of the anatomic imaging (CT) and the high contrast of the functional imaging (PET). The denoising approach led to the best trade-off between denoising quality and structure preservation with the least quantitative bias in absolute intensity recovery. PET/CT segmentation's results performed with WCHMT method has proven a reliable segmentation when providing high Dice Similarity Coeffcient (DSC) with the best trade-off between sensitivity (SE) and positive predictive value (PPV).