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.

The graduation thesis is engaged in the design of computed tomography (CT). It is a piece of medical equipment which helps to define the diagnosis of a patient. The first part of the project is a research into contemporary stage and production of CT systems. Consequently the new design of computed tomography is designed in a way to maximise ergonomical, technical and aesthetic quality.

Electron tomography allows visualization of objects in a form of reconstructed 3D virtual volumes with resolution power of electron microscopy. The thesis is focused primarily on biological applications of electron tomography applied on tilt series images acquired in transmission electron microscope at room temperature. Specifically, the interaction of tick-borne encephalitis virus with neural cells and 3D ultrastructure of the central electron-dense part of the flagellum 9 + 1 (Caryophyllaeides fennica) were investigated. Finally, electron tomography was combined and correlated with atomic force microscopy to allow repetitive examination of ultrathin sections on electron microscopy grids.

The aim of this thesis is to synthesize new kind of macrocyclic ligands for complexation of Zr4+ . Zirconium(IV) complexes have potential as contrast agents in immuno-PET. Three macrocyclic ligands L1, L2 and L3 with dif- ferent pendant arms (HOPO, maltol, hydroxamate) were designed. Despite numerous attempts syntheses of L1 and L2 were unsuccessful. Ligand L3 was synthesized and the protonation constants were determined by poten- tiometric titration. Complexes [Zr4+ (L3)] were studied too. Catechol ligand L4 was prepared and complexes with cations Zn2+ , Ga3+ and Zr4+ were investigated. 1

Electrical impedance tomography of soft tissue: Forward and inverse modelling The diploma thesis builds the neccesary apparatus to formulate and solve the inverse problem of Eletrical Impedance Tomography (EIT), including strategies to remedy the ill-conditioning of the problem. The problem itself lies in determining the structure of a body of interest by driving a set of electrical currents through electrodes connected to its surface. The aim of the thesis is to investigate possible utility of this method in medical applications, namely scanning for malignancies in the female breast, by studying the interaction of tissue with the electromagnetic field and by preparing a set of correspoding numerical experiments. An approximate characterization of the method's sensitivity with respect to noise is derived based on the most basic set of such numerical experiments, which were prepared by a complete software solution called prs4D developed by the author and his advisor, while some aspects of its implementation are included in the thesis.

Der primäre Hyperaldosteronismus ist eine der häufigsten Ursachen einer sekundären Hypertonie. Entscheidend für eine adäquate Therapie ist die Subtypen-Differenzierung zwischen Aldosteron produzierenden Adenomen und bilateralen Hyperplasien der Nebennierenrinde. Hierfür wird heutzutage eine selektive Katheterisierung der Nebennierenvenen durchgeführt. Diese Untersuchung ist jedoch sehr aufwendig und geht mit einer hohen Strahlenbelastung einher. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit 11 fluorierte Inhibitoren der Aldosteronsynthase (CYP11B2) auf ihre in-vitro- und in-vivo-Wirksamkeit und Selektivität untersucht. Ziel war es, über eine gezielte Bindung radiofluorierter Tracer an Aldosteron produzierenden Zellen eine nicht invasive Bildgebung zur Subtypendifferenzierung beim primären Hyperaldosteronismus zu entwickeln. Hierbei konnten mehrere vielversprechende Substanzen gefunden werden, die selektiv an CYP11B2 binden und die Aldosteronproduktion hemmen. Diese können somit möglicherweise für die Subtypendifferenzierung beim primären Hyperaldosteronismus eingesetzt werden. / Primary aldosteronism is one of the most common causes for secondary hypertension. The subtype differentation between aldosterone producing adenomas and bilateral adrenocortical hyperplasia is essential for a suitable treatment. Currently this affords a selective catherization of the adrenal veins. This test however is highly challenging and is attended by high radiation exposure. Therefore we analyzed the in vitro and in vivo effectivitiy of 11 fluorated aldosterone synthase (CYP11B2) inhibitors. The purpose was to develop a targeted imaging method with radiofluorinated tracers for the subtype differentation in primary aldosteronism. Several promising substances with a selective bond to CYP11B2 and inhibition of aldosterone production were found. These can possibly be used to differentate between the subtypes in primary aldosteronism.

Introduction: Magnetic resonance (MR) represents still the gold standard in myocardial imaging. There are some studies suggesting that the computed tomography (CT) might be a valid alternative for some patients (especially the ones who are unable to undergo MR). Aims: We had two aims. Aim number 1: To evaluate the ability of CT in the evaluation of delayed contrast enhancement (DCE) in patients with dilated cardiomyopathy. Aim number 2: To assess the possibilities of CT originally performed for a different indication in myocardial tissue characterization. Methods: Part 1: We prospectively enrolled 17 patients with dilated cardiomyopathy. All the patients underwent both cardiac CT and cardiac MR. We compared the findings of DCE on CT with the findings of DCE on MR. Part 2: We retrospectively evaluated 96 patients who underwent both CT for any indication and cardiac MR. We compared the findings of a hypodense area in the myocardium with the findings of DCE on MR. Results: Part 1: CT detected DCE in 3 patients and MR detected DCE in 6 patients. The agreement between both modalities was in v 82% cases (kappa 0.56). The sensitivity and specificity of CT were 50% and 100%, respectively and the positive predictive value was 100%. In patients with positive findings on CT, the localization of DCE was almost...

4 Title: Macrobicyclic ligands for use in MRI Author: Bc. Miroslav Pniok Department: Department of Inorganic Chemistry, Faculty of Science Supervisor: doc. RNDr. Jan Kotek, Ph.D. Supervisor's e-mail address: modrej@natur.cuni.cz Abstract: The aim of this project is to synthesize new kind of macrobicyclic ligands for Ln3+ ions, especially Gd3+ ion. Gadolinium(III) complexes are widely used in the clinical practice as contrast agents for MR imaging and an improvement of their properties is in the center of interest of many scientific teams. The macrobicyclic ligands have been designed to make possible coordination of two water molecules in the first coordination sphere with fast water exchange. The macrocyclic core (cyclen) is combined with a linking phosphinate chain in N1 ,N4 - and N1 ,N7 -positions forming a cryptand-like structure. The N1 ,N7 -isomer Et2L1 was synthesized in a small amount so only the N1 ,N4 -isomer H2L3 has been studied. The protonation constants have been determined by pH 31 P NMR titration. Keywords: cyclen, chelating agent, cryptand, MRI, phosphinate

Nach vielen methodischen Entwicklungen ist die Magnetresonanz-Tomografie (MRT) das vielseitigste bildgebende Verfahren für die biomedizinische Forschung und medizinische Diagnostik. Zur Verbesserung der Spezifität einer pathologisch induzierten Signalveränderung können zusätzlich exogene Kontrastmittel eingesetzt werden. Insbesondere gilt dies für Substanzen, die auf molekularbiologisch definierte Weise eine gezielte Signalveränderung (Markierung) erreichen. Diese Entwicklungen zu einer molekularen Bildgebung sowie der Trend zu höheren Magnetfeldstärken erfordern jedoch Nanosonden, die die konventionellen MRT-Kontrastmittel in ihrer Wirkung übertreffen. Sie sollen das Zielgewebe bereits in frühen Stadien einer krankhaften Veränderung nachweisen und die an seiner Bildung beteiligten Prozesse charakterisieren. Die bisher für diese Aufgabenstellung vorherrschenden MRT-Kontrastmittel sind superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikel (SPIO), die allerdings eine unerwünschte Erniedrigung des MRT-Signals („negativen“ Kontrast) bewirken. Das grundlegende Ziel dieser Arbeit war es daher, ein Kontrastmittel zu entwickeln, welches einen „positiven“ Kontrast, also eine Signalverstärkung, in der Hochfeld-MRT aufweist und darüber hinaus das Potenzial besitzt, in der biomedizinischen Forschung als gewebespezifische Marker für die molekulare Bildgebung eingesetzt zu werden. Zu diesem Zweck wurden neue Gadolinium-haltige Nanopartikel entwickelt, da sie aufgrund ihrer paramagnetischen Eigenschaften und großen Anzahl an Gd3+-Ionen pro Nanopartikel eine starke lokale Signalveränderung erzeugen sollten. Es wurden Gadolinium-haltige Nanopartikel unterschiedlicher Größe und struktureller Komposition hergestellt. Die vorliegende Arbeit liefert Erkenntnisse bezüglich der Wachstumsmechanismen und der Verteilung von Dotierungsionen geeigneter Nanopartikel. Die Wirkung der Nanopartikel auf das MRT-Signal wurde untersucht. Dabei zeigten kleine NaGdF4-Nanopartikel (3,0 nm) die größten spezifischen Relaxivitäten (7,3 l mmol-1 s-1) und damit großes Potenzial als Kontrastmittel für das Blut und das gesamte vaskuläre System. Es konnte weiter gezeigt werden, dass die spezifische Relaxivität mit abnehmendem Durchmesser steigt. Daraus geht hervor, dass Nanopartikel mit noch geringerem Durchmesser noch höhere spezifische Relaxivitäten erzielen würden. NaYF4/NaGdF4-Kern/Schale-Nanopartikel zeigten sich in besonderem Maße geeignet für den zukünftigen Einsatz als gewebespezifisches Kontrastmittel. Die hohen nanopartikulären Relaxivitäten und die Möglichkeit, diese Nanopartikel als duales Kontrastmittel einzusetzen, machen sie besonders attraktiv für die biomedizinische Forschung. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Arbeit die Schlussfolgerung zu, dass Gadolinium-haltige Nanopartikel ein sehr hohes Potenzial als Kontrastmittel für die Hochfeld-MRT aufweisen. Besonders geeignet erscheinen hierfür NaYF4/NaGdF4-Kern/Schale-Nanopartikel, da sie nicht nur hohe spezifische Relaxivitäten, sondern auch sehr hohe nanopartikuläre Relaxivitäten besitzen.

The present thesis concerns the molecular imaging of opioid receptors and human butyrylcholinesterase with the aid of tailored probes, which are suitable for the respective applied imaging techniques. The first part focusses on imaging of opioid receptors with selective probes using total internal reflection- and single molecule fluorescence microscopy. Design and synthesis of the ligands are presented and their pharmacological characterization and application in microscopy experiments are shown. The second part of this thesis focused on the development of 18F-labeled, selective radiotracers for imaging of butyrylcholinesterase via positron emission tomography. The design and synthesis of each a reversible and pseudoirreversible 18F-labeled tracer are presented. After evaluation of the binding properties of each tracer, their initial application in ex vivo autoradiography- and preliminary in vivo microPET studies is described and analyzed. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der molekularen Bildgebung von Opioidrezeptoren und der humanen Butyrylcholinesterase mithilfe von maßgeschneiderten Verbindungen, die jeweils optimal geeignet für die angewendeten Bildgebungstechniken sind. Der erste Teil behandelt die Bildgebung von Opioidrezeptoren durch selektive Liganden mittels interner Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie- und Einzelmolekül-Mikroskopie. Design und Synthese der Liganden werden beschrieben und ihre pharmakologische Charakterisierung und Anwendung in Mikroskopieexperimenten werden gezeigt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von 18F-markierten, selektiven Radiotracern für die Bildgebung der Butyrylcholinesterase mittels Positronen-Emissions-Tomographie. Das Design und die Synthese jeweils eines reversiblen und pseudo-irreversiblen, 18F-markierten Tracers werden beschrieben. Nach der Bewertung der Bindungseigenschaften beider Tracer am Enzym, wird ihre erste Anwendung in ex vivo Autoradiographie- und vorläufigen in vivo microPET Studien beschrieben und ausgewertet.