Ziel der Untersuchungen war es, neue Strategien zu entwickeln, die zu einer Verbesserung der MR-Diagnostik von Gliomen führen. Im Vordergrund des Interesses stand dabei die MR-Charakterisierung von experimentellen Gliomen mittels superparamagnetischer Eisenoxide, wobei MION ("Monocrystalline-Iron-Oxide-Nanopartikel") als Modellsubstanz für einen Großteil der Untersuchungen benutzt wurde. In Experimenten zur Blut-Hirn-Schranke (BHS) wurde gezeigt, dass normales Hirngewebe jenseits der BHS mit Eisenoxiden erreicht werden kann, wenn artifiziell die BHS zuvor hyperosmotisch durch Mannitol-Infusion temporär geöffnet wurde. Neben der intrazellulären Aufnahme in Astrozyten werden Eisenoxide nach erfolgter BHS-Öffnung in signifikant höherem Maße von aktivierter Mikroglia phagozytiert. Nach selektiver Öffnung der BHS durch Bradykinin-Injektion in die A. carotis interna lässt sich selektiv der Transport von Eisenoxiden in das Gliomzentrum vergrößern. Am experimentellen Gliommodell ließ sich zeigen, dass intravenöse MION-Gabe zu einem charakteristischen ringförmigen Erscheinungsbild in der MRT der großen Tumoren führt: Die histologischen Untersuchungen bei mehreren Gliomarten (C6 und 9L) zeigen eindeutig die Phagozytose von Eisenpartikeln durch Gliomzellen selbst. Verglichen mit der Eisenoxid-Aufnahme in die Gliomzelle ist die Phagozytose der Eisenpartikel durch ortsständige Mikrogliazellen und Blutmakrophagen jedoch signifikant größer. Die intrazelluläre Aufnahme von MION durch Tumorzellen lies sich in Zellkulturexperimenten an verschiedenen Gliom- (C6, 9L) und Karzinom-Zelllinien (LX-1) bestätigen. In vitro konnte gezeigt werden dass die Konjugation von Transferrin (Tf) an eine Eisenoxidverbindung zu einer verstärkten intrazelluläre Aufnahme verglichen mit unkonjugiertem Verbindungen führt. Die Untersuchungen zur Bildgebung der Tumorvaskularisation von experimentellen Gliomen ergaben, dass durch die kombinatorische Anwendung eines kleinmolekularen und eines großmolekularen Markers mit anschließender einfacher Bildsubtraktion die vaskulären und interstitiellen Volumenfraktionen (VVF, IVF) ermittelt werden können. Auch die alleinige Injektion der noch experimentellen Blut-Pool-Marker MPEG-Pl-GdDTPA und Gadomer-17 ermöglicht im Tiermodell die quantitative Bestimmung sowohl des vaskulären Volumens (CBV) als auch der Permeabilität (P). Bei den Eisenoxiden verfälschen deren starke Suszeptibilitätseffekte die quantitative Bestimmung von Blutflussdaten, auch die Quantifizierung der Gefäßpermeabilität ist mit diesen Verbindungen mittels dynanischer MRT nicht möglich. / The aim of the studies was to develop new strategies for improving magnetic resonance imaging (MRI) of gliomas. In the majority of experiments the focus was on the characterization of experimental gliomas after administration of superparamagnetic iron oxides using MION (Monocrystalline Iron Oxide Nanoparticles) as a model compound. Experiments on the blood-brain barrier (BBB) demonstrated that iron oxides reach normal brain tissue beyond the BBB after their artificial, transient hyperosmotic opening by mannitol infusion. Upon opening of the BBB, iron oxides not only show intracellular uptake by astrocytes but are also phagocytosed in significantly higher amounts by activated microglia. Selective opening of the BBB by bradykinin injection into the internal carotid artery specifically increases the transport of iron oxides into the center of gliomas. Using an experimental glioma model, it was shown that intravenous administration of MION produces a characteristic ring enhancement of large tumors on MR images. Histologic studies of different types of gliomas (C6 and 9L) unequivocally demonstrated that iron oxide particles were phagocytosed by the glioma cells themselves. However, iron oxide uptake by glioma cells is significantly less pronounced compared to the phagocytosis of iron oxide particles by local microglial cells and blood macrophages. The incorporation of MION by tumor cells was confirmed in cell culture experiments using different glioma (C6, 9L) and carcinoma cell lines (LX-1). In vitro studies showed that conjugation of transferrin to an iron oxide compound enhanced intracellular uptake compared to unconjugated compounds. The imaging studies investigating tumor vascularization in experimental gliomas demonstrated that the combined use of a small-molecular and a large-molecular marker and simple image subtraction allow for determining vascular and interstitial volume fractions (VVF, IVF). Furthermore, injection of the blood pool markers MPEG-P1-Gd-DTPA and gadomer-17 alone likewise enables quantitative determination of both vascular volume (CBV) and permeability (P) in the animal model. Iron oxide particles, on the other hand, have pronounced susceptibility effects, which impair the quantitative determination of blood flow data. Nor do the particles allow for quantifying vascular permeability by dynamic MR imaging.

Die Arbeit stellt die optische Methode der Nahinfraotspektroskopie (NIRS) in der Anwendung zur Messung von Oxygenierungsänderungen am Kopf des Erwachsenen dar. Dabei werden zunächst methodische Aspekte behandelt. Dies schließt (i) die Frage ein ob Änderungen des Redox-Status der Cytochromoxidase mit der NIRS bestimmt werden können; (ii) diskutiert die Ergebnisse zur Darstellbarkeit schneller optischer Signale, wie sie in invasiven Studien als Korrelat der elektrophysiologisch messbaren neuronalen Prozesse bekannt sind und (iii) richtet sich auf die bessere Definition des Messvolumens, sowohl im Sinne einer zweidimensionalen Bildgebung der Oxygenierungs-änderungen an der Hirnoberfläche als auch die Möglichkeiten zu einer Tiefenauflösung. Bezüglich der grundlegenden physiologischen Fragestellungen thematisiert die Arbeit im zweiten Teil Fragestellungen der neuro-vaskulären Kopplung. Dies ist die Frage, wie sich die neuronale, elektrophysiologisch meßbare Aktivität von Neuronen in eine hämodynamische Antwort übersetzt. Hier sind die Einordnung der NIRS-Befunde in ein Modell der vaskulären Antwort aber auch gleichzeitige Messungen mit elektrophysiologischen Methoden und weiteren vaskulär-basierten Methoden, insbesondere der funktionellen Kernspintomographie, Fokus. Schließlich stellt die Arbeit die klinischen Perspektiven in der Neurologie dar, wie sie sich besonders für die vaskulären Erkrankungen des Gehirns aber auch für Fragestellungen bei Epilepsie und Migräne ergeben. / We here present a optical method, near-infrared spectroscopy (NIRS), and its application for non-invasive measurement of oxygenation changes in the adult head. The first part deals with methodological aspects of NIRS. This includes (i) the question whether changes of cytochrome-oxidase redox state can be monitored by NIRS; (ii) the discussion of study results investigating the non-invasive detectability of fast optical signals , known to reflect electrophysiological changes in invasive animal preparations; (iii) and finally the issue how the sampling volume can be better defined, and with respect to a two-dimensional imaging approach of cortical oxygenation changes and the methodological options to achieve a depth resolution. In a second chapter we then focus on the underlying physiological issues mainly raising questions concerning neuro-vascular coupling. Neuro-vascular coupling means the translation of neuronal activity, as can be measured by electrophysiological methods, into the haemodynamic response. Here the focus is on how the results of functional NIRS studies can be interpreted in the light of a model of the vascular response. Also the simultaneous assessment of electrophysiological parameters or the parameters of other methods based on the vascular response, especially fMRI, are dealt with in this chapter. Finally the here presented work gives perspectives of potential clinical applications of the method. This primarily means the application in stroke and other vascularly diseases in neurology, but also includes questions in the clinical fields of epilepsy and migraine.