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.

An increasing number of cancer patients is treated with proton beams or other light ion beams which allow to deliver dose precisely to the tumor. However, the depth dose distribution of these particles, which enables this precision, is sensitive to deviations from the treatment plan, as e.g. anatomical changes. Thus, to assure the quality of the treatment, a non-invasive in-vivo dose verification is highly desired. This monitoring of particle therapy relies on the detection of secondary radiation which is produced by interactions between the beam particles and the nuclei of the patient’s tissue. Up to now, the only clinically applied method for in-vivo dosimetry is Positron Emission Tomography which makes use of the beta+-activity produced during the irradiation (PT-PET). Since from a PT-PET measurement the applied dose cannot be directly deduced, the simulated distribution of beta+-emitting nuclei is used as a basis for the analysis of the measured PT-PET data. Therefore, the reliable modeling of the production rates and the spatial distribution of the beta+-emitters is required. PT-PET applied during instead of after the treatment is referred to as in-beam PET. A challenge concerning in-beam PET is the design of the PET camera, because a standard full-ring scanner is not feasible. For instance, a double-head PET camera is applicable, but low count rates and the limited solid angle coverage can compromise the image quality. For this reason, a detector system which provides a time resolution allowing the incorporation of time-of-flight information (TOF) into the iterative reconstruction algorithm is desired to improve the quality of the reconstructed images. Secondly, Prompt Gamma Imaging (PGI), a technique based on the detection of prompt gamma-rays, is currently pursued. Concerning the emissions of prompt gamma-rays during particle irradiation, experimental data is not sufficiently available, making simulations necessary. Compton cameras are based on the detection of incoherently scattered photons and are investigated with respect to PGI. Monte Carlo simulations serve for the optimization of the camera design and the evaluation of criteria for the selection of measured events. Thus, for in-beam PET and PGI dedicated detection systems and, moreover, profound knowledge about the corresponding radiation fields are required. Using various simulation codes, this thesis contributes to the modelling of the beta+-emitters and photons produced during particle irradiation, as well as to the evaluation and optimization of hardware for both techniques. Concerning the modeling of the production of the relevant beta+-emitters, the abilities of the Monte Carlo simulation code PHITS and of the deterministic, one-dimensional code HIBRAC were assessed. The Monte Carlo tool GEANT4 was applied for an additional comparison. For irradiations with protons, helium, lithium, and carbon, the depth-dependent yields of the simulated beta+-emitters were compared to experimental data. In general, PHITS underestimated the yields of the considered beta+-emitters in contrast to GEANT4 which provided acceptable values. HIBRAC was substantially extended to enable the modeling of the depth-dependent yields of specific nuclides. For proton beams and carbon ion beams HIBRAC can compete with GEANT4 for this application. Since HIBRAC is fast, compact, and easy to modify, it could be a basis for the simulations of the beta+-emitters in clinical application. PHITS was also applied to the modeling of prompt gamma-rays during proton irradiation following an experimental setup. From this study, it can be concluded that PHITS could be an alternative to GEANT4 in this context. Another aim was the optimization of Compton camera prototypes. GEANT4 simulations were carried out with the focus on detection probabilities and the rate of valid events. Based on the results, the feasibility of a Compton camera setup consisting of a CZT detector and an LSO or BGO detector was confirmed. Several recommendations concerning the design and arrangement of the Compton camera prototype were derived. Furthermore, several promising event selection strategies were evaluated. The GEANT4 simulations were validated by comparing simulated to measured energy depositions in the detector layers. This comparison also led to the reconsideration of the efficiency of the prototype. A further study evaluated if electron-positron pairs resulting from pair productions could be detected with the existing prototype in addition to Compton events. Regarding the efficiency and the achievable angular resolution, the successful application of the considered prototype as pair production camera to the monitoring of particle therapy is questionable. Finally, the application of a PET camera consisting of Resistive Plate Chambers (RPCs) providing a good time resolution to in-beam PET was discussed. A scintillator-based PET camera based on a commercially available scanner was used as reference. This evaluation included simulations of the detector response, the image reconstructions using various procedures, and the analysis of image quality. Realistic activity distributions based on real treatment plans for carbon ion therapy were used. The low efficiency of the RPC-based PET camera led to images of poor quality. Neither visually nor with the semi-automatic tool YaPET a reliable detectability of range deviations was possible. The incorporation of TOF into the iterative reconstruction algorithm was especially advantageous for the considered RPC-based PET camera in terms of convergence and artifacts. The application of the real-time capable back projection method Direct TOF for the RPCbased PET camera resulted in an image quality comparable to the one achieved with the iterative algorihms. In total, this study does not indicate the further investigation of RPC-based PET cameras with similar efficiency for in-beam PET application. To sum up, simulation studies were performed aimed at the progress of in-vivo dosimetry. Regarding the modeling of the beta+-emitter production and prompt gamma-ray emissions, different simulation codes were evaluated. HIBRAC could be a basis for clinical PT-PET simulations, however, a detailed validation of the underlying cross section models is required. Several recommendations for the optimization of a Compton Camera prototype resulted from systematic variations of the setup. Nevertheless, the definite evaluation of the feasibility of a Compton camera for PGI can only be performed by further experiments. For PT-PET, the efficiency of the detector system is the crucial factor. Due to the obtained results for the considered RPC-based PET camera, the focus should be kept to scintillator-based PET cameras for this purpose.

Positron emission tomography (PET) is a well-established functional imaging method used in nuclear medicine. It allows for retrieving information about biochemical and physiological processes in vivo. The currently possible spatial resolution of PET is about 5 mm for brain acquisitions and about 8 mm for whole-body acquisitions, while recent improvements in image reconstruction point to a resolution of 2 mm in the near future. Typical acquisition times range from minutes to hours due to the low signal-to-noise ratio of the measuring principle, as well as due to the monitoring of the metabolism of the patient over a certain time. Therefore, patient motion increasingly limits the possible spatial resolution of PET. In addition, patient immobilisations are only of limited benefit in this context. Thus, patient motion leads to a relevant resolution degradation and incorrect quantification of metabolic parameters. The present work describes the utilisation of a novel motion compensation method for clinical brain PET acquisitions. By using an external motion tracking system, information about the head motion of a patient is continuously acquired during a PET acquisition. Based on the motion information, a newly developed event-based motion compensation algorithm performs spatial transformations of all registered coincidence events, thus utilising the raw data of a PET system - the so-called `list-mode´ data. For routine acquisition of this raw data, methods have been developed which allow for the first time to acquire list-mode data from an ECAT Exact HR+ PET scanner within an acceptable time frame. Furthermore, methods for acquiring the patient motion in clinical routine and methods for an automatic analysis of the registered motion have been developed. For the clinical integration of the aforementioned motion compensation approach, the development of additional methods (e.g. graphical user interfaces) was also part of this work. After development, optimisation and integration of the event-based motion compensation in clinical use, analyses with example data sets have been performed. Noticeable changes could be demonstrated by analysis of the qualitative and quantitative effects after the motion compensation. From a qualitative point of view, image artefacts have been eliminated, while quantitatively, the results of a tracer kinetics analysis of a FDOPA acquisition showed relevant changes in the R0k3 rates of an irreversible reference tissue two compartment model. Thus, it could be shown that an integration of a motion compensation method which is based on the utilisation of the raw data of a PET scanner, as well as the use of an external motion tracking system, is not only reasonable and possible for clinical use, but also shows relevant qualitative and quantitative improvement in PET imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein in der Nuklearmedizin etabliertes funktionelles Schnittbildverfahren, das es erlaubt Informationen über biochemische und physiologische Prozesse in vivo zu erhalten. Die derzeit erreichbare räumliche Auflösung des Verfahrens beträgt etwa 5 mm für Hirnaufnahmen und etwa 8 mm für Ganzkörperaufnahmen, wobei erste verbesserte Bildrekonstruktionsverfahren eine Machbarkeit von 2 mm Auflösung in Zukunft möglich erscheinen lassen. Durch das geringe Signal/Rausch-Verhältnis des Messverfahrens, aber auch durch die Tatsache, dass der Stoffwechsel des Patienten über einen längeren Zeitraum betrachtet wird, betragen typische PET-Aufnahmezeiten mehrere Minuten bis Stunden. Dies hat zur Folge, dass Patientenbewegungen zunehmend die erreichbare räumliche Auflösung dieses Schnittbildverfahrens limitieren. Eine Immobilisierung des Patienten zur Reduzierung dieser Effekte ist hierbei nur bedingt hilfreich. Es kommt daher zu einer relevanten Auflösungsverschlechterung sowie zu einer Verfälschung der quantifizierten Stoffwechselparameter. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Nutzbarmachung eines neuartigen Bewegungskorrekturverfahrens für klinische PET-Hirnaufnahmen. Mittels eines externen Bewegungsverfolgungssystems wird während einer PET-Untersuchung kontinuierlich die Kopfbewegung des Patienten registriert. Anhand dieser Bewegungsdaten führt ein neu entwickelter event-basierter Bewegungskorrekturalgorithmus eine räumliche Korrektur aller registrierten Koinzidenzereignisse aus und nutzt somit die als "List-Mode" bekannten Rohdaten eines PET Systems. Für die Akquisition dieser Daten wurden eigens Methoden entwickelt, die es erstmals erlauben, diese Rohdaten von einem ECAT Exact HR+ PET Scanner innerhalb eines akzeptablen Zeitraumes zu erhalten. Des Weiteren wurden Methoden für die klinische Akquisition der Bewegungsdaten sowie für die automatische Auswertung dieser Daten entwickelt. Ebenfalls Teil der Arbeit waren die Entwicklung von Methoden zur Integration in die klinische Routine (z.B. graphische Nutzeroberflächen). Nach der Entwicklung, Optimierung und Integration der event-basierten Bewegungskorrektur für die klinische Nutzung wurden Analysen anhand von Beispieldatensätzen vorgenommen. Es zeigten sich bei der Auswertung sowohl der qualitativen als auch der quantitativen Effekte deutliche Änderungen. In qualitativer Hinsicht wurden Bildartefakte eliminiert; bei der quantitativen Auswertung einer FDOPA Messung zeigte sich eine revelante Änderung der R0k3 Einstromraten eines irreversiblen Zweikompartment-Modells mit Referenzgewebe. Es konnte somit gezeigt werden, dass eine Integration einer Bewegungskorrektur unter Zuhilfenahme der Rohdaten eines PET Systems sowie unter Nutzung eines externen Verfolgungssystems nicht nur sinnvoll und in der klinischen Routine machbar ist, sondern auch zu maßgeblichen qualitativen und quantitativen Verbesserungen in der PET-Bildgebung beitragen kann.

Die Interaktion von S100-Proteinen mit dem Rezeptor für advanced glycation endproducts (RAGE) wird als hoch relevant bei der Entstehung, Manifestation und Progression verschiedener entzündlicher Erkrankungen sowie bei der Tumorigenese gewertet. Das tiefergehende Verständnis der Interaktion von S100-Proteinen mit RAGE in vivo stellt eine wissenschaftliche Herausforderung dar und ist ein Ansatz für therapeutische Interventionen. Darüber hinaus stellen Untersuchungen zum Metabolismus von extrazellulär zirkulierenden S100-Proteinen in vivo einen vielversprechenden Forschungsansatz zur Analyse von S100-Protein-assoziierten Erkrankungen dar. Die einzigartigen Eigenschaften der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) als nicht-invasives bildgebendes Verfahren erlauben die Darstellung und quantitative Erfassung biochemischer Prozesse mit der Möglichkeit zelluläre und molekulare Reaktionswege aufzuzeigen sowie in vivo-Mechanismen von Krankheiten im Kontext eines physiologischen Umfeldes darzulegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Fluor-18-markierte S100-Proteine (18F-S100) herzustellen, diese biochemisch, radiochemisch und radiopharmakologisch zu charakterisieren und deren Metabolismus und Interaktion mit RAGE in vivo mittels Kleintier-PET am Tiermodell zu untersuchen. Es wurden die mit RAGE interagierenden S100-Proteine S100A1, S100A12 und S100B in biologisch funktioneller Form hergestellt. Dazu wurden die entsprechenden S100-Gene in den prokaryotischen Expressionsvektor pGEX-6P-1 kloniert. Mit diesen Konstrukten wurden E. coli-Zellen transformiert, aus denen nachfolgend die S100-Proteine isoliert und gereinigt werden konnten. Es konnte eine Reinigung unter nativen, milden Bedingungen etabliert werden, die es ermöglichte, S100A1, S100A12 und S100B in biologisch aktiver Form und in hohen Reinheitsgraden (> 95%) für die nachfolgenden Experimente bereitzustellen. Diese S100-Proteine wurden über den 18F-tragenden Aktivester N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoesäure ([18F]SFB) radioaktiv markiert und charakterisiert. Dabei konnte sichergestellt werden, dass die 18F-S100-Proteine in vitro und in vivo stabil sind. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die radioaktive Markierung keine Beeinträchtigung auf die biologische Funktionalität der S100-Proteine hat. Dies wurde anhand von sRAGE-Bindungsuntersuchungen sowie Zell-Interaktionsuntersuchungen an konfluenten Endothelzellen (HAEC) und an zu Makrophagen differenzierten THP-1-Zellen (THP-1-Makrophagen) verifiziert. Für die Untersuchung der RAGE-Bindung war die Produktion des löslichen sRAGE bzw. die Generation von flRAGE-berexprimierenden Zellen erforderlich. Beide Konstrukte wurden in geeigneten Zellsystemen exprimiert und das sRAGE-Protein wurde in biologisch aktiver Form synthetisiert und gereinigt (Reinheitsgrad > 97%). Die 18F-S100-Bindung an THP-1-Makrophagen und HAEC wurde in Gegenwart von glykierten LDL (glykLDL) sowie sRAGE signifikant inhibiert, was auf eine RAGE-Interaktion hinweist. Weiterhin konnten durch den Einsatz von Scavenger-Rezeptor-Liganden, wie z. B. Maleinanhydrid-modifiziertes BSA (malBSA) bzw. von Lektinen inhibierende Effekte erzielt werden. Dies ist ein Indiz für die 18F-S100-Interaktion mit Scavenger-Rezeptoren und Glykokonjugaten an der Zelloberfläche. Durch die Untersuchungen mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie an THP-1-Makrophagen wurde eine Zellaufnahme des Fluoreszein-markierten S100A12 festgestellt. Weiterhin konnten Kolokalisationen mit Lektinen detektiert werden. Das metabolische Schicksal extrazellulär zirkulierender 18F-S100-Proteine in vivo wurde mit Hilfe dynamischer PET-Untersuchungen bzw. anhand von Bioverteilungs-Untersuchungen in männlichen Wistar-Ratten analysiert. Die Hauptakkumulation der Radioaktivität wurde in der Leber und in den Nieren detektiert. In diesen Organen findet der Metabolismus bzw. die glomeruläre Filtration der 18F-S100-Proteine statt. In den Untersuchungen zur Genexpression mittels Echtzeit-PCR sowie im immunchemischen Proteinnachweis am Western Blot wurde eine hohe Expression und Proteinbiosynthese des RAGE in der Lunge ermittelt. Die Lunge eignet sich daher als „Referenz“-Organ für eine funktionelle in vivo-Charakterisierung von RAGE mit 18FS100-Proteinen. Bei den durchgeführten PET-Untersuchungen konnte eine temporäre 18F-S100-Interaktion mit dem Lungengewebe festgestellt werden. Die Retention des 18FS100A12 in der Lunge wurde in Gegenwart von sRAGE inhibiert. Dies ist ein Hinweis dafür, dass 18F-S100-Proteine auch in vivo an RAGE binden können. Die Radioaktivitäts-Akkumulation in den Organen Leber und Milz, die eine Vielzahl von sessilen Makrophagen aufweisen, wurde durch die Applikation von malBSA inhibiert. Dies ist ein Indiz dafür, dass 18F-S100-Proteine in vivo mit Scavenger-Rezeptoren interagieren können. Die vorliegende Arbeit liefert deutliche Hinweise darauf, dass RAGE nicht der alleinige Rezeptor für 18F-S100-Proteine ist. Der Einsatz von 18F-S100-Proteinen als experimentelles Werkzeug in dynamischen PET-Untersuchungen birgt das Potential einer Charakterisierung von S100-Protein-assoziierten, pathophysiologischen Prozessen. / Members of the S100 family of EF-hand calcium binding proteins play important regulatory roles not only within cells but also exert effects in a cytokine-like manner on definite target cells once released into extracellular space or circulating blood. Accordingly, increased levels of S100 proteins in the circulating blood have been associated with a number of disease states, e.g., diabetes, cancer, and various inflammatory disorders. As the best known target protein of extracellular S100 proteins, the receptor for advanced glycation endproducts (RAGE) is of significant importance. However, the role of extracellular S100 proteins during etiology, progression, and manifestation of inflammatory disorders still is poorly understood. One reason for this is the shortage of sensitive methods for direct assessment of the metabolic fate of circulating S100 proteins and, on the other hand, measurement of functional expression of extracellular targets of S100 proteins, e.g., RAGE in vivo. In this line, small animal PET provides a valuable tool for noninvasive imaging of physiological processes and interactions like plasma or vascular retention, tissue-specific receptor binding, accumulation or elimination in vivo. To address this question, human S100 proteins were cloned in the bacterial expression vector pGEX-6P-1, expressed in E. coli BL21, and purified by affinity chromatography and anion exchange chromatography. Purified S100A1, S100B and S100A12 proteins were then radiolabeled with the positron emitter fluorine-18 (18F) by N-succinimidyl-4-[18F]fluorobenzoate ([18F]SFB). Radiolabeling of S100 proteins resulted in radiochemical yields of 3-10% (corrected for decay) and effective specific radioactivities of 1 GBq/µmol, respectively. For investigations about RAGE binding soluble RAGE (sRAGE) was expressed and purified using pSecTag2B. A radioligand binding assay confirmed specific binding of 18F-S100A12, 18F-S100A1, and 18F-S100B to immobilized sRAGE, also showing an order of affinity with S100A12 > S100A1 > S100B. These results indicate that radioactive labelling of S100 proteins did not affect their overall affinity to RAGE. Cellular association studies in human THP-1 macrophages and human aortic endothelial cells (HAEC) showed specific binding of all 18F-S100 proteins to the non-internalizing RAGE as confirmed by inhibitory effects exerted either by other RAGE ligands, e.g., glycated LDL, or by soluble RAGE. Of interest, 18F-S100 proteins were also shown to interact with other putative binding sites, e.g. scavenger receptors as well as proteoglycans. In this line, uptake of 18F-S100 proteins in THP-1 and HAEC could be inhibited by various scavenger receptor ligands, in particular by maleylated BSA as well as by lectines (e.g. ConA and SBA). Confocal laser scanning microscopy analysis showed a major part of the fluoresceinated S100A12 bound to the surface of THP-1 macrophages. Beyond this, uptake of S100A12 could be determined indicating an interaction of S100A12 with both non-internalizing, e.g., RAGE, and internalizing receptors, e.g. scavenger receptors. By evaluation of the relative contribution of 18F-S100A12 association to RAGE-overexpressed CHO cells (using pIres2-AcGFP1), 18F-S100A12 showed a significantly higher association to CHO-RAGE cells compared with CHO-mock cells. Based on these findings and due to their crucial role in inflammatory disorders the metabolic fate of S100 proteins was further investigated in dynamic small animal Positron emission tomography (PET) studies as well as in biodistribution studies in Wistar rats in vivo. For interpretation of in vivo investigations in rats, expression of RAGE was analyzed by quantitative real time RT-PCR as well as western blotting in various organs. Lung tissue expressed the highest level of RAGE protein compared to the other tissues. PET studies in rats revealed a comparatively long mean residence time of circulating 18F-S100 proteins. A major contributor to this phenomenon seems to be a sustained temporary interaction with tissues overexpressing RAGE, e.g., the lung. On the other hand, renal clearance of 18F-S100 via glomerular filtration is a major elimination pathway. However, scavenger receptor-mediated pathways in the liver, the spleen and, to a minor extent, in the kidneys, also seem to contribute to the overall clearance. The presence of sRAGE revealed a decreased retention of 18F-S100A12 in the lung, indicating in vivo binding to RAGE. In vivo blocking studies using maleylated BSA demonstrated a strong inhibition of putative binding sites in rat tissues enriched in cells expressing scavenger receptors like liver and spleen. In conclusion, 18F-labeling of S100 proteins and the use of small animal PET provide a valuable tool to discriminate the kinetics and the metabolic fate of S100 proteins in vivo. Furthermore, the results strongly suggest an involvement of other putative receptors beside RAGE in distribution, tissue association and elimination of circulating proinflammatory S100 proteins. Moreover, the approach provides novel probes for imaging of functional expression of RAGE and scavenger receptors in peripheral inflammatory compartments.

Die Interaktion von S100-Proteinen mit dem Rezeptor für advanced glycation endproducts (RAGE) wird als hoch relevant bei der Entstehung, Manifestation und Progression verschiedener entzündlicher Erkrankungen sowie bei der Tumorigenese gewertet. Das tiefergehende Verständnis der Interaktion von S100-Proteinen mit RAGE in vivo stellt eine wissenschaftliche Herausforderung dar und ist ein Ansatz für therapeutische Interventionen. Darüber hinaus stellen Untersuchungen zum Metabolismus von extrazellulär zirkulierenden S100-Proteinen in vivo einen vielversprechenden Forschungsansatz zur Analyse von S100-Protein-assoziierten Erkrankungen dar. Die einzigartigen Eigenschaften der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) als nicht-invasives bildgebendes Verfahren erlauben die Darstellung und quantitative Erfassung biochemischer Prozesse mit der Möglichkeit zelluläre und molekulare Reaktionswege aufzuzeigen sowie in vivo-Mechanismen von Krankheiten im Kontext eines physiologischen Umfeldes darzulegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Fluor-18-markierte S100-Proteine (18F-S100) herzustellen, diese biochemisch, radiochemisch und radiopharmakologisch zu charakterisieren und deren Metabolismus und Interaktion mit RAGE in vivo mittels Kleintier-PET am Tiermodell zu untersuchen. Es wurden die mit RAGE interagierenden S100-Proteine S100A1, S100A12 und S100B in biologisch funktioneller Form hergestellt. Dazu wurden die entsprechenden S100-Gene in den prokaryotischen Expressionsvektor pGEX-6P-1 kloniert. Mit diesen Konstrukten wurden E. coli-Zellen transformiert, aus denen nachfolgend die S100-Proteine isoliert und gereinigt werden konnten. Es konnte eine Reinigung unter nativen, milden Bedingungen etabliert werden, die es ermöglichte, S100A1, S100A12 und S100B in biologisch aktiver Form und in hohen Reinheitsgraden (> 95%) für die nachfolgenden Experimente bereitzustellen. Diese S100-Proteine wurden über den 18F-tragenden Aktivester N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoesäure ([18F]SFB) radioaktiv markiert und charakterisiert. Dabei konnte sichergestellt werden, dass die 18F-S100-Proteine in vitro und in vivo stabil sind. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die radioaktive Markierung keine Beeinträchtigung auf die biologische Funktionalität der S100-Proteine hat. Dies wurde anhand von sRAGE-Bindungsuntersuchungen sowie Zell-Interaktionsuntersuchungen an konfluenten Endothelzellen (HAEC) und an zu Makrophagen differenzierten THP-1-Zellen (THP-1-Makrophagen) verifiziert. Für die Untersuchung der RAGE-Bindung war die Produktion des löslichen sRAGE bzw. die Generation von flRAGE-berexprimierenden Zellen erforderlich. Beide Konstrukte wurden in geeigneten Zellsystemen exprimiert und das sRAGE-Protein wurde in biologisch aktiver Form synthetisiert und gereinigt (Reinheitsgrad > 97%). Die 18F-S100-Bindung an THP-1-Makrophagen und HAEC wurde in Gegenwart von glykierten LDL (glykLDL) sowie sRAGE signifikant inhibiert, was auf eine RAGE-Interaktion hinweist. Weiterhin konnten durch den Einsatz von Scavenger-Rezeptor-Liganden, wie z. B. Maleinanhydrid-modifiziertes BSA (malBSA) bzw. von Lektinen inhibierende Effekte erzielt werden. Dies ist ein Indiz für die 18F-S100-Interaktion mit Scavenger-Rezeptoren und Glykokonjugaten an der Zelloberfläche. Durch die Untersuchungen mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie an THP-1-Makrophagen wurde eine Zellaufnahme des Fluoreszein-markierten S100A12 festgestellt. Weiterhin konnten Kolokalisationen mit Lektinen detektiert werden. Das metabolische Schicksal extrazellulär zirkulierender 18F-S100-Proteine in vivo wurde mit Hilfe dynamischer PET-Untersuchungen bzw. anhand von Bioverteilungs-Untersuchungen in männlichen Wistar-Ratten analysiert. Die Hauptakkumulation der Radioaktivität wurde in der Leber und in den Nieren detektiert. In diesen Organen findet der Metabolismus bzw. die glomeruläre Filtration der 18F-S100-Proteine statt. In den Untersuchungen zur Genexpression mittels Echtzeit-PCR sowie im immunchemischen Proteinnachweis am Western Blot wurde eine hohe Expression und Proteinbiosynthese des RAGE in der Lunge ermittelt. Die Lunge eignet sich daher als „Referenz“-Organ für eine funktionelle in vivo-Charakterisierung von RAGE mit 18FS100-Proteinen. Bei den durchgeführten PET-Untersuchungen konnte eine temporäre 18F-S100-Interaktion mit dem Lungengewebe festgestellt werden. Die Retention des 18FS100A12 in der Lunge wurde in Gegenwart von sRAGE inhibiert. Dies ist ein Hinweis dafür, dass 18F-S100-Proteine auch in vivo an RAGE binden können. Die Radioaktivitäts-Akkumulation in den Organen Leber und Milz, die eine Vielzahl von sessilen Makrophagen aufweisen, wurde durch die Applikation von malBSA inhibiert. Dies ist ein Indiz dafür, dass 18F-S100-Proteine in vivo mit Scavenger-Rezeptoren interagieren können. Die vorliegende Arbeit liefert deutliche Hinweise darauf, dass RAGE nicht der alleinige Rezeptor für 18F-S100-Proteine ist. Der Einsatz von 18F-S100-Proteinen als experimentelles Werkzeug in dynamischen PET-Untersuchungen birgt das Potential einer Charakterisierung von S100-Protein-assoziierten, pathophysiologischen Prozessen. / Members of the S100 family of EF-hand calcium binding proteins play important regulatory roles not only within cells but also exert effects in a cytokine-like manner on definite target cells once released into extracellular space or circulating blood. Accordingly, increased levels of S100 proteins in the circulating blood have been associated with a number of disease states, e.g., diabetes, cancer, and various inflammatory disorders. As the best known target protein of extracellular S100 proteins, the receptor for advanced glycation endproducts (RAGE) is of significant importance. However, the role of extracellular S100 proteins during etiology, progression, and manifestation of inflammatory disorders still is poorly understood. One reason for this is the shortage of sensitive methods for direct assessment of the metabolic fate of circulating S100 proteins and, on the other hand, measurement of functional expression of extracellular targets of S100 proteins, e.g., RAGE in vivo. In this line, small animal PET provides a valuable tool for noninvasive imaging of physiological processes and interactions like plasma or vascular retention, tissue-specific receptor binding, accumulation or elimination in vivo. To address this question, human S100 proteins were cloned in the bacterial expression vector pGEX-6P-1, expressed in E. coli BL21, and purified by affinity chromatography and anion exchange chromatography. Purified S100A1, S100B and S100A12 proteins were then radiolabeled with the positron emitter fluorine-18 (18F) by N-succinimidyl-4-[18F]fluorobenzoate ([18F]SFB). Radiolabeling of S100 proteins resulted in radiochemical yields of 3-10% (corrected for decay) and effective specific radioactivities of 1 GBq/µmol, respectively. For investigations about RAGE binding soluble RAGE (sRAGE) was expressed and purified using pSecTag2B. A radioligand binding assay confirmed specific binding of 18F-S100A12, 18F-S100A1, and 18F-S100B to immobilized sRAGE, also showing an order of affinity with S100A12 > S100A1 > S100B. These results indicate that radioactive labelling of S100 proteins did not affect their overall affinity to RAGE. Cellular association studies in human THP-1 macrophages and human aortic endothelial cells (HAEC) showed specific binding of all 18F-S100 proteins to the non-internalizing RAGE as confirmed by inhibitory effects exerted either by other RAGE ligands, e.g., glycated LDL, or by soluble RAGE. Of interest, 18F-S100 proteins were also shown to interact with other putative binding sites, e.g. scavenger receptors as well as proteoglycans. In this line, uptake of 18F-S100 proteins in THP-1 and HAEC could be inhibited by various scavenger receptor ligands, in particular by maleylated BSA as well as by lectines (e.g. ConA and SBA). Confocal laser scanning microscopy analysis showed a major part of the fluoresceinated S100A12 bound to the surface of THP-1 macrophages. Beyond this, uptake of S100A12 could be determined indicating an interaction of S100A12 with both non-internalizing, e.g., RAGE, and internalizing receptors, e.g. scavenger receptors. By evaluation of the relative contribution of 18F-S100A12 association to RAGE-overexpressed CHO cells (using pIres2-AcGFP1), 18F-S100A12 showed a significantly higher association to CHO-RAGE cells compared with CHO-mock cells. Based on these findings and due to their crucial role in inflammatory disorders the metabolic fate of S100 proteins was further investigated in dynamic small animal Positron emission tomography (PET) studies as well as in biodistribution studies in Wistar rats in vivo. For interpretation of in vivo investigations in rats, expression of RAGE was analyzed by quantitative real time RT-PCR as well as western blotting in various organs. Lung tissue expressed the highest level of RAGE protein compared to the other tissues. PET studies in rats revealed a comparatively long mean residence time of circulating 18F-S100 proteins. A major contributor to this phenomenon seems to be a sustained temporary interaction with tissues overexpressing RAGE, e.g., the lung. On the other hand, renal clearance of 18F-S100 via glomerular filtration is a major elimination pathway. However, scavenger receptor-mediated pathways in the liver, the spleen and, to a minor extent, in the kidneys, also seem to contribute to the overall clearance. The presence of sRAGE revealed a decreased retention of 18F-S100A12 in the lung, indicating in vivo binding to RAGE. In vivo blocking studies using maleylated BSA demonstrated a strong inhibition of putative binding sites in rat tissues enriched in cells expressing scavenger receptors like liver and spleen. In conclusion, 18F-labeling of S100 proteins and the use of small animal PET provide a valuable tool to discriminate the kinetics and the metabolic fate of S100 proteins in vivo. Furthermore, the results strongly suggest an involvement of other putative receptors beside RAGE in distribution, tissue association and elimination of circulating proinflammatory S100 proteins. Moreover, the approach provides novel probes for imaging of functional expression of RAGE and scavenger receptors in peripheral inflammatory compartments.