Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

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DD is a cardiac disturbance, which has gained increasing importance in recent years due to its important role in different cardiac disease and cardiomyopathies including ischemic cardiomyopathy, arterial hypertension and diabetic cardiomyopathy. ECG-gated 18F-FDG PET is an imaging technique, that can distinguish between districts of myocardial viability and myocardial scars and further provides information of great interest on the efficacy of experimental approaches designed to improve the cardiac function and/or myocardial metabolism in experimental small animal models. However, ECG-gated 18F-FDG PET is a technique whose feasibility in the assessment of the LV diastolic function in small animals has not been a subject of study. In this thesis, the ability of the ECG-gated 18F-FDG PET for the assessment of both the systolic and diastolic function in eight control rats and in seven ZDF rats, which are an experimental animal model mimicking T2DM conditions and diabetic related complications in humans including DCM, has been investigated The ECG-gated 18F-FDG PET imaging was performed under hyperinsulinemic-euglycemic clamping and the data were stored in list mode files and retrospectively reconstructed. The systolic and diastolic parameters were achieved from the time/volume and the time/filling curve calculated from the software HFV. Additionally, the influence of the number of gates per cardiac cycle on the LV volumes and function parameters has been studied. Hyperinsulinemic-euglycemic clamp procedure and blood glucose measurement did confirm the development of a manifest diabetes in the ZDF rats at the timepoint of the experiments. Regarding the systolic parameters, no significant difference could be detected between the ZDF and ZL rats. The values for the CO were similar in both groups, which demonstrates a similar LV systolic function in the ZDF and the ZL rats at the age of 13 weeks. Values for the systolic parameters are in good line with previous PET, MRI and cardiac catheterization-based studies in diabetic rats. The main finding of this study was that by using in vivo ECG-gated 18F-FDG PET and the software HFV, reliable diastolic parameters could be calculated. Moreover, it was possible to detect the presence of a mild impaired diastolic filling in the ZDF rats in absence of any systolic alteration. This impaired diastolic function in an early stage of diabetes could also be detected by other investigators, who used echocardiography or cardiac catheterization. Therefore, this is the first study showing, that the assessment of the diastolic function in rats can be carried out by ECG-gated 18F-FDG PET imaging. In conclusion, additionally to calculating LV volumes and LV EF, ECG-gated 18F-FDG PET can evaluate the diastolic function of healthy and diabetic rats and is able to detect a DD in ZDF rats. / Die DD ist eine Störung der Herzdynamik, welche, aufgrund ihrer Beteiligung in verschiedenen Herzerkrankungen und Kardiomyopathien wie der ischämischen Kardiomyopathie, der arteriellen Hypertonie und der diabetischen Kardiomyopathie, in den letzten Jahren zunehmend in das Interessenzentrum der Herzforschung gerückt ist. Die EKG-getriggerte 18F-FDG PET ist eine Bildgebungsmethode, welche die Unterscheidung von vitalem Myokard und Narben ermöglicht und zusätzlich noch in der Lage ist, wichtige Informationen zu erheben, welche von Bedeutung für die Beurteilung von experimentelle Behandlungen zur Verbesserung der Herzfunktion und/oder des kardialen Stoffwechsels in präklinischen Tiermodellen sind. Trotz dieser Möglichkeiten wurde bisher noch nicht die Fähigkeit der EKG-getriggerten 18F-FDG PET zur Bestimmung der LV diastoischen Funktion in Kleintiermodellen untersucht. Deshalb wurde in dieser Arbeit das Potential der EKG-getriggerten 18F-FDG PET in Bezug auf die Bestimmung der LV systolischen und diastolischen Funktion in acht Kontrollratten (ZL) und sieben ZDF-Ratten, welche eine experimentelles Tiermodell für T2DM und die damit verbundenen Komplikationen einschließlich der diabetischen Kardiomyopathie sind, untersucht. Die EKG-getriggerte 18F-FDG PET wurde unter der hyperinsulinämischen euglykämischen Klemm Methode durchgeführt, die Daten in „list-mode“ Dateien gespeichert und retrospektiv rekonstruiert. Die Berechnung der LV systolischen und diastolischen Parameter erfolge aus der Zeit-Volumen-Kurve und der Zeit-Füllungs-Kurve durch das Programm HFV. Zudem wurde der Einfluss der pro Rekonstruktion verwendeten „frames“ pro kardialen Zyklus auf die LV Volumina und die linksventrikulären Funktionsparameter untersucht. Durch die hyperinsulinämische euglykämische Klemm Methode und durch Blutglukose Messungen konnte die Entwicklung eines manifesten Diabetes zum Zeitpunkt der Experimente in den ZDF Ratten nachgewiesen werden. Es konnte kein signifikanter Unterschied zwischen den systolischen Parametern der ZDF und der ZL Ratten gefunden werden. Der kardiale Auswurf war nahezu identisch in den beiden Gruppen zum Zeitpunkt der Experimente, was eine vergleichbare systolische Funktion in beiden Gruppen demonstriert. Die erhobenen Werte für die systolischen Parameter befinden sich in guter Übereinstimmung mit den Werten der Literatur von vorherigen PET, MRT und Katheter-gestützten Experimenten in diabetischen Rattenmodellen. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Erhebung von verlässlichen diastolischen Parametern durch den kombinierten Einsatz von EKG-getriggerter 18F-FDG PET und HFV. Zudem war es möglich, eine gestörte diastolische Füllung des LV in den ZDF Ratten nachzuweisen, in Abwesenheit von systolischen Funktionseinschränkungen. Eine Beeinträchtigung der diastolischen Funktion in der frühen Phase des Diabetes wurde bereits in anderen Rattenstudien mittels Echokardiografie und Katheter basierten Untersuchungen gezeigt. Dennoch ist dies hier die erste Studie, welche demonstriert, dass die Bestimmung der diastolischen Funktion auch mit Hilfe der EKG-getriggerten 18F-FDG PET durchgeführt werden kann. In Zusammenfassung lässt sich festhalten, das zusätzlich zu der Bestimmung der LV-Volumina und der LVEF durch EKG-getriggerten 18F-FDG PET auch die Bestimmung der diastolischen Funktion in gesunden und diabetischen Ratten möglich ist und dass durch EKG-getriggerten 18F-FDG PET die Identifikation einer DD in ZDF Ratten möglich ist.

Das Prostatakarzinom (PCa) stellt derzeit in Deutschland die häufigste Krebserkrankung der männlichen Bevölkerung dar und steht bei den tödlich verlaufenden Malignomen an zweiter Stelle. Aktuell umfasst die Diagnostik immer öfter auch eine molekulare Bildgebung mittels PET/CT und den Tracern [18F]Cholin und [68Ga]PSMA. Letzterer detektiert selektiv das prostataspezifische Membranantigen (PSMA), welches in Prostatakarzinomzellen häufig überexprimiert ist. Das Wachstum von PCa geschieht in der Regel androgenabhängig, wobei sich auch teilweise eine androgenunabhängige Entwicklung findet. Für das bei kastrationsresistenten Karzinomen und fortgeschrittenen Stadien eingesetzte Chemotherapeutikum Docetaxel, werden immer wieder Resistenzentwicklungen beobachtet, wodurch dieses nur unzureichend effektiv ist. Ziel dieser Arbeit war es, die Eignung verschiedener PET-Tracer ([18F]FDG, [18F]Cholin und [68Ga]PSMA) zur Bildgebung androgenabhängiger und -unabhängiger Prostatakarzinomzellen zu testen sowie ihr Potential zur Beurteilung des Therapieansprechens auf Docetaxel zu untersuchen. Weiterhin sollte untersucht werden, ob die [68Ga]PSMA-Retention mit der PSMA-Expression korreliert. Im zweiten Teil wurde ein Zusammenhang zwischen der Expression von PSMA und der Resistenzentwicklung gegen Docetaxel untersucht. Methoden: Für die in-vitro Experimente wurden die hormonabhängige Zelllinie LNCaP sowie die hormonunabhängige Zelllinie LNCaP C4-2 verwendet. Im zweiten Teil wurden zusätzlich PSMA-negative PC-3 Zellen eingesetzt. Die aufgenommene bzw. gebundene Traceraktivität wurde mittels Gammacounter gemessen. Die Untersuchung der PSMA-Expression erfolgte mit Western-Blot und Durchflusszytometrie. Ein PSMA-Knockdown-System wurde mittels siRNA in LNCaP-Zellen etabliert. Ergebnisse: Die PSMA-Expression und die Sensitivität gegenüber Docetaxel waren bei LNCaP Zellen tendenziell erhöht gegenüber der LNCaP C4-2 Zelllinie. Nach Docetaxelbehandlung zeigte sich in beiden Zellreihen eine unveränderte PSMA-Expression. Der PSMA-spezifische PET-Tracer zeigte, im Vergleich zu den metabolischen Tracern [18F]FDG und [18F]Cholin, eine nur sehr geringe Retention. Im Vergleich der Zelllinien untereinander nahmen LNCaP C4-2 Zellen ca. 50 % mehr [18F]FDG auf als LNCaP Zellen. Die Aufnahme von [18F]Cholin unterschied sich nicht signifikant. Der Tracer [68Ga]PSMA zeigte eine höhere Bindung an LNCaP Zellen im Vergleich zu LNCaP C4-2 Zellen. In weiteren Versuchen konnte gezeigt werden, dass sowohl [18F]FDG als auch [18F]Cholin, nicht jedoch [68Ga]PSMA in vitro ein Therapieansprechen auf Docetaxel durch verminderte Traceraufnahme in beiden Zelllinien aufzeigen. Es konnte zudem eine direkte Korrelation zwischen der [68Ga]PSMA-Bindung und der PSMA-Expression nachgewiesen werden. Nach einer siRNA-vermittelten Verminderung der PSMA-Expression in LNCaP Zellen (Knockdown-Zellen) zeigte sich eine deutlich geringere Sensitivität für Docetaxel. Gleichzeitig war jedoch die Docetaxelsensitivität von PSMA-negativen PC-3 Zellen höher als die von LNCaP Knockdown-Zellen. Schlussfolgerung: Insgesamt zeigten unsere Untersuchungen, dass sich die PET-Tracer [18F]FDG und [68Ga]PSMA zur Unterscheidung des androgenabhängigen Zellmodells vom androgenunabhängigen Modell eignen. Außerdem ermöglicht der [68Ga]PSMA-Tracer eine Einschätzung der PSMA-Expression. Die Tracer [18F]FDG und [18F]Cholin eignen sich in vitro für die Beurteilung des Therapieansprechens einer Docetaxeltherapie, [68Ga]PSMA dagegen nicht. Die PSMA-Expression scheint ein entscheidender, aber nicht alleinstehender Faktor für die Sensitivität von LNCaP Zellen gegenüber Docetaxel zu sein. Es scheinen hierbei allerdings eher der Verlust von PSMA, wie im Knockdown-Modell induziert, sowie bislang unbekannte Faktoren eine wichtige Rolle zu spielen. / Prostate carcinoma (PCa) is currently the most frequent cancer in men in Germany and is the second leading cause of cancer deaths. Currently, diagnostics more and more often include molecular imaging using PET/CT and the tracers [18F]choline and [68Ga]PSMA. The latter selectively detects the prostate-specific membrane antigen (PSMA), which is often overexpressed in prostate cancer cells. The growth of PCa is usually androgen-dependent, although it is sometimes also developing independently of androgen. For the chemotherapeutic agent docetaxel, which is used for castration-resistant carcinomas and advanced stages, the development of resistance is observed again and again, resulting in insufficient efficacy. The aim of this work was to evaluate the potential of different PET tracers ([18F]FDG, [18F]Choline and [68Ga]PSMA) for the imaging of androgen-dependent and independent prostate carcinoma cells as well as their potential for the assessment of therapy response to docetaxel. Furthermore, it should be investigated whether [68Ga]PSMA uptake correlates with PSMA expression. In the second part, an association between the expression of PSMA and the development of resistance to docetaxel was investigated. Methods: For the in vitro experiments the hormone-dependent cell line LNCaP and the hormone-independent cell line LNCaP C4-2 were used. In the second part PSMA-negative PC-3 cells were additionally used. The tracer uptake and binding activity was measured by gamma counter. PSMA expression was determined by Western blot and flow cytometry. A PSMA knockdown system was established in LNCaP cells using siRNA. Results: PSMA expression and sensitivity to docetaxel were increased in LNCaP cells compared to the LNCaP C4-2 cells. After docetaxel treatment, both cell lines showed unchanged PSMA expression. Compared to the metabolic tracers [18F]FDG and [18F]choline, the PSMA-specific PET tracer showed very low uptake. In comparison of the cell lines, LNCaP C4-2 cells took up about 50 % more [18F]FDG than LNCaP cells. The uptake of [18F]choline did not differ significantly. The tracer [68Ga]PSMA showed a higher binding to LNCaP cells compared to LNCaP C4-2 cells. In further experiments it was observed that both [18F]FDG and [18F]choline, but not [68Ga]PSMA, in vitro showed a therapy response to docetaxel by reduced tracer uptake in both cell lines. A direct correlation between [68Ga]PSMA binding and PSMA expression was also found. After a siRNA-mediated reduction of PSMA expression in LNCaP cells (knockdown cells), a significantly lower sensitivity for docetaxel was observed. At the same time, however, the docetaxel sensitivity of PSMA-negative PC-3 cells was higher than that of LNCaP knockdown cells. Conclusion: Overall, our investigations showed that the PET tracers [18F]FDG and [68Ga]PSMA are suitable for differentiating the androgen-dependent cell model from the androgen-independent model. In addition, the [68Ga]PSMA tracer allows an assessment of PSMA expression. The tracers [18F]FDG and [18F]choline are suitable for in vitro assessment of response to docetaxel therapy, whereas [68Ga]PSMA is not. PSMA expression seems to be a critical, but not unique, factor for the sensitivity of LNCaP cells to docetaxel. However, the loss of PSMA, as induced in the knockdown model, as well as unknown factors seem to play an important role.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Thesis (Ph. D.)--University of Utrecht.

Thesis (Ph. D.)--University of Utrecht.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit.opg, en samenvatting in het Nederlands.

11C-Methionin (11C-MET) ist ein alternatives Radiopharmakon für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zur Beurteilung der Krankheitsaktivität bei Patient/-innen mit Multiplem Myelom (MM). Frühe Daten legen eine höhere Sensitivität und Spezifität als bei dem bisherigen Standardtracer 18F-Fluordesoxyglucose (18F-FDG) nahe. Es fehlen bislang jedoch Untersuchungen, welche die neuen, aus PET-Daten abgeleiteten Parameter „metabolic tumor volume“ (MTV) und „total lesion glycolysis / total lesion methionin uptake“ (TLG/TLMU) in diesen Vergleich miteinbeziehen. In früheren Studien konnte bereits eine prognostische Aussagekraft dieser neuen Imaging Parameter für die 18F-FDG-PET/CT gezeigt werden. Das Ziel dieser bizentrischen Studie war es, die sich im Rahmen bisheriger Studienergebnisse andeutende Überlegenheit von 11C-MET für das Staging des MM zu überprüfen und seine Eignung für die Bewertung von metabolischen Imaging Parametern im Vergleich zu 18F-FDG zu untersuchen. Zweiundzwanzig Patient/-innen mit neu diagnostiziertem unbehandelten MM, davon 15 Patient/-innen des Universitätsklinikums Würzburg und sieben Patient/-innen der Clinica Universidad de Navarra in Pamplona, die eine doppelte PET/CT-Bildgebung unter Verwendung der beiden Tracer 11C-MET und 18F-FDG innerhalb eines Zeitraums von maximal 14 Tagen erhalten hatten, wurden retrospektiv durch den Doktoranden (Oliver Viering) sowie eine nuklearmedizinische Assistenzärztin (Maria I. Morales-Lozano) und im Anschluss durch je eine PET/CT-Expert/-in des Universitätsklinikums Würzburg (Constantin Lapa) und der Clinica Universidad de Navarra (Maria J. Garcia-Velloso) untersucht. Hierfür wurden die 18F-FDG- und 11C-MET-PET/CT-Aufnahmen einer dreidimensionalen Analyse mit Hilfe des "PET/CT-Viewer Beth Israel for FIJI" unterzogen. Diese open source Software ermöglichte die Berechnung von SUVmean, SUVmax und SUVpeak sowie der neuen Imaging Biomarker MTV und TLG/TLMU. Die genannten PET-Parameter wurden mit klinischen und laborchemischen Parametern (Hämoglobin, Calcium, Kreatinin, CRP, β2-Mikroglobulin, Albumin, M-Gradient/M-Protein, Knochenmarkinfiltration, LDH, freier Leichtketten-quotient, R-ISS, zytogenetisches Risiko) korreliert, welche in früheren Studien als prognostisch relevante Parameter der Myelom-Erkrankung identifiziert worden waren. Bei elf der 22 Patient/-innen (50 %) wurden mithilfe von 11C-MET mehr fokale Läsionen als mit 18F-FDG nachgewiesen (p < 0,01), daneben konnte bei einer größeren Zahl von Patient/-innen eine diffuse Knochenmarkinfiltration durch die malignen Plasmazellen identifiziert werden (11C-MET: 19, 18F-FDG: 12). Sowohl die SUV-Parameter (SUVmean, SUVmax und SUVpeak) als auch die neuen Imaging Parameter (TMTV und TLG/TLMU) waren bei der 11C-MET- signifikant höher als bei der 18F-FDG-PET/CT (p < 0,05). In Bezug auf die neuen Imaging Parameter zeigten sich für 11C-MET häufiger signifikante Korrelationen mit den prognostisch relevanten klinischen und laborchemischen Parametern als für 18F-FDG. Bei TMTV konnten für die 11C-MET-PET/CT signifikante Korrelationen für β2-Mikroglobulin (p = 0,006), die M-Komponente (p = 0,003), den Grad der Knochenmarkinfiltration (p = 0,007) und das Serum-Hämoglobin (p = 0,016) gefunden werden, wohingegen sich bei 18F-FDG lediglich eine signifikante Korrelation für β2-Mikroglobulin (p = 0,044) zeigte. In Bezug auf die TLG/TLMU konnten bei 18F-FDG keine signifikanten Korrelationen zwischen TLG und den klinischen und laborchemischen Parametern nachgewiesen werden. Bei 11C-MET zeigten sich hingegen signifikante Korrelationen zwischen dem TLMU und der Kalzium-Konzentration im Serum (p = 0,028), dem β2-Mikroglobulin (p = 0,047), der M-Komponente (p = 0,033) und dem Grad der Knochenmarkinfiltration (p = 0,041). Trotz zahlreicher Limitationen dieser Arbeit, wie etwa der geringen Patientenzahl und des retrospektiven Charakters der Auswertung bekräftigt auch diese Studie in Übereinstimmung mit den bisherigen Studienergebnissen, dass 11C-MET im Vergleich zu 18F-FDG ein sensitiverer Marker für die Beurteilung der Myelom-Tumorlast sein könnte. Eine Untersuchung der prognostischen Aussagekraft von 11C-MET in Bezug auf progressionsfreies- und Gesamtüberleben im Zuge der primären Bildgebung der Erkrankung war aufgrund der kurzen Nachbeobachtungszeit und der Heterogenität der Behandlung, welche die Patient/-innen im Anschluss an die Staging-Untersuchungen erhalten hatten, nicht möglich und muss im Rahmen zukünftiger, insbesondere prospektiver Studien weiter untersucht werden. / 11C-methionine (11C-MET) is an alternative radiopharmaceutical for positron emission tomography / computed tomography (PET/CT) to assess disease activity in patients with multiple myeloma (MM). Early data suggest a higher sensitivity and specificity than with the previous standard tracer 18F-fluorodeoxyglucose (18F-FDG). However, studies that include the new parameters "metabolic tumour volume" (MTV) and "total lesion glycolysis / total lesion methionine uptake" (TLG/TLMU) are still lacking in this comparison. Previous studies have already shown a prognostic significance of these new imaging parameters for 18F-FDG-PET/CT. The aim of this bicentre study was to test the apparent superiority of 11C-MET for the staging of MM in the context of previous study results and to investigate its suitability for the assessment of metabolic imaging parameters in comparison to 18F-FDG. Twenty-two patients with newly diagnosed untreated MM, including 15 patients from the University Hospital of Würzburg and seven patients from the Clinica Universidad de Navarra in Pamplona, who had received double PET/CT imaging using the two tracers 11C-MET and 18F-FDG within a maximum period of 14 days, were retrospectively evaluated. For this purpose, the 18F-FDG and 11C-MET PET/CT images were analysed by using the "PET/CT Viewer Beth Israel for FIJI". This open source software enabled the calculation of SUVmean, SUVmax and SUVpeak as well as the new imaging biomarkers MTV and TLG/TLMU. These PET parameters were correlated with clinical and laboratory parameters (haemoglobin, calcium, creatinine, CRP, β2-microglobulin, albumin, M-gradient/M-protein, bone marrow infiltration, LDH, free light chain ratio, R-ISS, cytogenetic risk), which had been identified as prognostically relevant parameters of myeloma disease in previous studies. In eleven of the 22 patients 11C-MET detected more focal lesions than 18F-FDG (p < 0.01) and a larger number of diffuse bone marrow infiltration by malignant plasma cells was identified (11C-MET: 19, 18F-FDG: 12). Both the SUV parameters (SUVmean, SUVmax and SUVpeak) and the new imaging parameters (TMTV and TLG/TLMU) were significantly higher in 11C-MET than in 18F-FDG PET/CT (p < 0.05). With regard to the new imaging parameters, significant correlations with the prognostically relevant clinical and laboratory parameters were shown more frequently for 11C-MET than for 18F-FDG. In TMTV, significant correlations were found for 11C-MET PET/CT for β2-microglobulin (p = 0.006), the M-component (p = 0.003), the level of bone marrow infiltration (p = 0.007) and serum haemoglobin (p = 0.016), whereas 18F-FDG only showed a significant correlation for β2-microglobulin (p = 0.044). With regard to TLG/TLMU, no significant correlations between TLG and the clinical and laboratory parameters could be demonstrated for 18F-FDG. In contrast, 11C-MET showed significant correlations between TLMU and serum calcium concentration (p = 0.028), β2-microglobulin (p = 0.047), M-component (p = 0.033) and the level of bone marrow infiltration (p = 0.041). Despite numerous limitations of this work, such as the small number of patients and the retrospective analysis, this study also confirms that 11C-MET could be a more sensitive marker for the assessment of MM compared to 18F-FDG. An investigation of the prognostic significance of 11C-MET with regard to progression-free and overall survival in the course of primary imaging was not possible due to the short follow-up period and the heterogeneity of the treatment the patients received following PET/CT imaging and therefore must be investigated in the context of future studies.

Analyzing the structure of a single cell based on its refractive index (RI) distribution is a common and valued approach, because it does not require any artificial markers. The RI is an inherent structural marker that can be quantified in three dimensions with optical diffraction tomography (ODT), an inverse scattering technique. This work reviews the theory of ODT and its implementation with an emphasis on single-cell analysis, identifying the Rytov approximation as the most efficient descriptor for light propagation. The accuracy of the reconstruction method is verified with in silico data and imaging artifacts associated with the inverse scattering approach are addressed. Furthermore, an experimental ODT setup is presented that consists of a bright-field microscope, a phase-imaging camera, and an optical trap combined with a microfluidic chip. A novel image analysis pipeline is proposed that addresses image corrections and frame alignment of the recorded data prior to the RI reconstruction. In addition, for a rotational axis that is tilted with respect to the image plane, an improved reconstruction algorithm is introduced and applied to single, suspended cells in vitro, achieving sub-cellular resolution.