Inflammation causes a plethora of diseases, putting an immense burden on patients, society and health care providers. A majority of these diseases can still not be treated satisfactorily. Nevertheless, inflammation exhibits, often tissue- and disease-specific, hallmarks that can be targeted for diagnosis and therapy. Depicting and identifying these sites of inflammation not only enables scientific examination but can also enable functional imaging and stratification of patients. Therefore, within the scope of this work, the first CXCR2-PET tracer has been developed for the functional imaging of neutrophils, utilising Fluorine-18 as radionuclide and squaramide ligands as molecular platform for target addressing. Several fluorinated “cold” ligands were synthesised and tested for their affinity to hCXCR2. For the most promising candidate 29b, an indirect labelling procedure was developed. The resulting PET-radiotracer [18F]29b showed specific time-dependent binding to CXCR2 in HEK cells and human neutrophils. Initial rat biodistribution studies and dynamic PET/CT imaging indicated good renal clearance and metabolic stability of [18F]29b. Neuroinflammation describes the inflammatory response of the CNS, in which reactive microglia play a major role in neurodegeneration. To address neuroinflammation and therefore neurodegeneration therapeutically, BChE/CB2R hybrid ligands, as well as BChE-selective ligands have been designed and synthesised. BChE is able to surrogate for AChE. Additionally, its inhibition or KO has been connected to neuroprotective properties in vivo and is therefore an important target for the treatment of neurodegenerative diseases such as AD. While BChE will probably become a key player in the treatment of AD, the combination with another disease-related target, CB2R, to obtain an overadditive effect in vivo seems highly promising due to the immunomodulatory effect of CB2R agonists. Both approaches have been realised utilising a novel structural motif based on 2-benzylbenzimidazoles in combination with phenylcarbamates. First, compounds selective towards hBChE were designed, guided by computational studies using GOLD. Synthesis and subsequent testing on hChEs revealed nanomolar inhibition of hBChE, while showing high selectivity over hAChE and hCB2R. Non-toxic compound 52d showed excellent in vivo efficacy in both spatial working memory, as well as passive avoidance. The residual affinity of compound 52d for hCB2R was then subsequently optimised to develop “balanced” BChE/CB2R hybrid ligands, exploring two different carbamate introduction points to the 2-benzylbenzimidazole core while using small carbamate moieties, resulting in two multifaceted sets of compounds. After binding studies on ChEs and CBRs, two “balanced” and subtype-selective BChE/CB2R hybrid ligands were then evaluated in detail, compounds 60d and 66d. Both compounds were characterised as pseudo-irreversible inhibitors of hBChE through kinetic studies on hBChE and partial agonist of hCB2R through functional assays on hCB2R. As described 2- benzylbenzimidazole compounds show structural similarity to etonitazene, both compounds were tested in a MOR-βarr2 assay, in which no activity was detected. Subsequent treatment of microglial cells which were stimulated by LPS showed a clear immunomodulatory and neuroprotective effect, which was not observed for CB2R-deficient HT-22 cells, therefore indicating a CB2R-mediated effect. Due to its balanced profile, agonism on hCB2R, immunomodulatory effect and absence of toxicity, in vivo behavioural studies of compound 60d were performed in which the cognitive impairments in mice were induced by ICV injection of Aß25-35. Compound 60d showed an active dose range from 0.3- 3.0 mg·kg−1 and a complete prevention of Aß25-35-induced learning impairments for both spatial 38 working memory and long-term contextual memory at 3.0 mg/kg. While combination studies showed that BChE/CB2R hybrid targeting indeed leads to synergistic effects in vivo, initial PK studies in mice using ligands 60d and 66d, proved good BBB-permeability of both compounds, underlining the potential of designed BChE/CB2R hybrid ligands for the therapy of neurodegenerative diseases. Summarised, inflammation and its associated molecular hallmarks have been addressed diagnostically and therapeutically using small molecules as either reporters or influencers of disease. Reported studies have the potential to not only help understanding inflammation scientifically, but also to optimise patient stratification and medication of people suffering from neurodegeneration. / Der Prozess der Entzündung ist die Ursache einer Vielzahl von Krankheiten, welche eine immense Bürde für Patienten, Gesellschaft und Gesundheitssystem darstellen. So ist es nicht verwunderlich, dass mit der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung und der koronaren Herzkrankheit zwei der drei häufigsten Todesursachen weltweit entzündungsassoziiert sind.2 Eine Vielzahl dieser entzündungsassoziierten Krankheiten kann immer noch nicht ausreichend behandelt werden, jedoch sind Entzündungen durch gewebe- und krankheitsabhängige Kennzeichen identifizierbar, welche für Diagnose und Therapie adressiert werden können. Die Darstellung und Identifizierung dieser krankheitsspezifischen Entzündungsstellen ermöglicht nicht nur das Beantworten wissenschaftlicher Fragestellungen, sondern kann auch für bildgebende Verfahren und die Stratifizierung von Patienten genutzt werden. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit der erste CXCR2-PET Tracer entwickelt, um neutrophile Granulozyten zu markieren und zu quantifizieren. Hierzu wurden 18F als Radionuklid und Quadratsäurediamide als CXCR2-Liganden genutzt. Diverse fluorierte , „kalte“ Liganden wurden synthetisiert und bezüglich ihrer CXCR2-Affinität getestet. Für die vielversprechendste Verbindung 29b wurde eine indirekte Markierungsmethode entworfen. Der daraus resultierende Tracer [18F]29b zeigte zeitabhängige und spezifische Bindung an CXCR2 in untersuchten HEK-Zellen. Erste Biodistributionsstudien und dynamische PET/CT deuteten eine gute, renale Ausscheidung und hohe metabolische Stabilität des Radiotracers an. Neuroinflammation beschreibt die Reaktion des zentralen Nervensystems auf Entzündungsprozesse bei welchen vor allem Mikroglia eine große Rolle spielen, insbesondere bezüglich der Neurodegeneration. Um eben jene Neuroinflammation und damit Neurodegeneration therapeutisch zu adressieren, wurden sowohl BChE/CB2R-Hybridliganden, als auch selektive BChE-Inhibitoren designt und synthetisiert. BChE ist in der Lage als Surrogat für AChE zu agieren und die Inhibition oder der Knockout der BChE resultierte in neuroprotektiven Effekten in vivo, weshalb BChE eine wichtige Zielstruktur für die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen darstellt. Während die Inhibition der BChE vermutlich eine größere Rolle bei der zukünftigen Behandlung der Alzheimer-Krankheit spielen könnte, stellt die Kombination mit einer weiteren, krankheitsassoziierten Zielstruktur eine vielversprechende Behandlungsoption dar. Durch eine solche Hybridisierung könnten, neben dem immunmodulierenden Effekt von CB2R-Agonisten, überadditive Effekte erzielt werden. Beide Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit untersucht, wobei ein strukturelles Motiv, 2-Benzylbenzimidazol in Verbindungen mit Phenylcarbamaten für beide Konzepte genutzt wurde. Zunächst wurden hBChEselektive Verbindungen entworfen, wobei molekulares Docking mittels GOLD genutzt wurde. Nach Synthese der Verbindungen wurden die potentiellen Inhibitoren an beiden Cholinesterasen getestet. Hierbei wurden nanomolare hBChE-Inhibitoren gefunden, welche selektiv gegenüber hAChE und hCB2R waren. Die nicht-toxische Verbindung 52d zeigte exzellente Wirksamkeit in vivo sowohl bezüglich des räumlichen Arbeitsgedächtnis, als auch bezüglich des nicht-räumlichen Langzeitgedächtnisses. Die verbleibende CB2R-Affinität von Verbindung 52d wurde mit dem Ziel der Hybridisierung optimiert, indem zwei strukturelle Punkte zur Einführung von - überwiegend sterisch wenig anspruchsvollen - Carbamaten in das 2-Benzylbenzimidazolgrundgerüst evaluiert wurden. Dies führte zu zwei facettenreichen Sätzen von Verbindungen, aus denen, nach Bindungsstudien an Cholinesterasen und 40 Cannabinoid-Rezeptoren, zwei „ausbalancierte“, subtypselektive Verbindungen, 60d und 66d, im Detail untersucht wurden. Beide Hybridliganden wurden mittels Kinetikstudien als pseudoirreversible hBChE-Inhibitoren charakterisiert. Zudem konnten sie als partielle Agonisten an hCB2R charakterisiert werden. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu Etonitazen wurden die Verbindungen in einem MOR-βarr2-Assay getestet, wobei keine Aktivität gemessen wurde. Anschließende Testung an Microgliazellen zeigte einen immunmodulatorischen Effekt, welcher in CB2R-defizienten Zellen nicht beobachtet werden konnte, was auf einen CB2R-abhängigen Mechanismus hinweist. Wegen dem „ausbalancierten“ Profil, Agonismus an hCB2R, immunmodulatorischen Effekt und fehlender Toxizität, wurde Verbindung 60d in vivo getestet. In verwendeten Verhaltensstudien wurden kognitive Defizite durch ICV-Injektion von Aβ25-35 induziert. In einer Dosierungsspanne von 0.3-3.0 mg/kg konnte Verbindung 60d die Effekte signifikant abmildern, bei 3.0 mg/kg sowohl bezüglich des räumlichen Arbeitsgedächtnis, als auch bezüglich passiver Vermeidung, komplett verhindern. Zusätzliche in vivo Kombinationsstudien mit selektiven Liganden an BChE und CB2R bestätigten einen synergistischen Effekt. Um die Pharmakokinetik von 60d und 66d zu evaluieren, wurden erste PK-Studien an Mäusen durchgeführt. IV-Injektion von jeweils 2 mg/kg der Verbindungen bestätigten gute Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke. Dies unterstreicht das Potential der designten BChE/CB2R-Hybridliganden für die Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen. Zusammengefasst wurden Entzündungen und die damit assoziierten Kennzeichen im Kontext dieser Arbeit diagnostisch und therapeutisch adressiert, indem kleine Moleküle entweder als Reporter oder Therapeutikum entwickelt wurden. Dargelegte Ergebnisse zeigen das Potential durch die vorgestellten Verbindungen, entzündungsinduzierte Krankheiten nicht nur grundsätzlich zu erfassen, sondern auch Patienten zu stratifizieren und einen neuen Behandlungsansatz für Neurodegeneration bereitzustellen.

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) bei der Schwerionentherapie ist eine wichtige Methode zur Qualitätskontrolle in der Tumortherapie mit Kohlenstoffionen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Verbesserungen des PET-Verfahrens, wodurch sich in der Folge präzisere Aussagen zur Dosisapplikation treffen lassen. Aufbauend auf den Grundlagen (Kap. 2) werden die Neuentwicklungen in den drei darauf folgenden Abschnitten (Modellierung des Abbildungsprozesses bei der PET, Streukorrektur für PET bei der Schwerionentherapie, Verarbeitung der rekonstruierten PET-Daten) beschrieben. Die PET-Methode bei der Schwerionentherapie basiert auf dem Vergleich zwischen den gemessenen und vorausberechneten Aktivitätsverteilungen. Die verwendeten Modelle in der Simulation (Erzeugung der Positronenemitter, deren Ausbreitung, der Transport und der Nachweis der Annihilationsquanten) sollten so präzise wie möglich sein, damit ein aussagekräftiger Vergleich möglich wird. Die Genauigkeit der Beschreibung der physikalischen Prozesse wurde verbessert und zeiteffiziente Algorithmen angewendet, die zu einer erheblichen Verkürzung der Rechenzeit führen. Die erwarteten bzw. die gemessenen räumlichen Radioaktivitätsverteilungen werden mit einem iterativen Verfahren rekonstruiert [Lau99]. Die gemessenen Daten müssen hinsichtlich der im Messobjekt auftretenden Comptonstreuung der Annihilationsphotonen korrigiert werden. Es wird ein geeignetes Verfahren zur Streukorrektur für die Therapieüberwachung vorgeschlagen und dessen Realisierung beschrieben. Zur Einschätzung der Güte der Behandlung wird die gemessene und die simulierte Aktivitätsverteilung verglichen. Dazu wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Software entwickelt, das die rekonstruierten PET-Daten visualisiert und die anatomischen Informationen des Röntgentomogramms mit einbezieht. Nur durch dieses Auswerteverfahren war es möglich, Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzudecken und somit die Bestrahlungsplanung zu verbessern.

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine funktionelle medizinische Bildgebungstechnik. Die Lichtausbeute und Zeitauflösung Szintillator basierter PET Detektoren wird von diversen optischen Prozessen begrenzt. Dazu gehört die Lichtauskopplung aus Medien mit hohem Brechungsindex sowie Sensitivitätsbegrenzungen der Photodetektoren. Diese Arbeit studiert mikro- und nano-optische Ansätze um diese Einschränkungen zu überwinden mit dem Ziel das Signal-Rausch Verhältnis sowie die Bildqualität zu verbessern. Dafür wird ein Lichtkonzentrator vorgeschlagen um die Sensitivität von Silizium Photomultipliern zu erhöhen sowie dünne Schichten photonischer Kristalle um die Lichtauskopplung aus Szintillatoren zu verbessern. Die Ansätze werden mit optischen Monte Carlo Simulationen studiert, wobei die Beugungseigenschaften phot. Kristalle hierbei durch eine neuartige kombinierte Methode berücksichtigt werden. Proben der phot. Kristalle und Lichtkonzentratoren wurden mit Fertigungsprozessen der Halbleitertechnologie hergestellt und mit Hilfe eines Goniometer Aufbaus charakterisiert. Die simulierten Eigenschaften konnten hiermit sehr gut experimentell reproduziert werden. Daraufhin wurden Simulationen durchgeführt um den Einfluss beider Konzepte auf die Charakteristika eines PET Detektors zu untersuchen. Diese sagen signifikante Verbesserungen der Lichtausbeute und Zeitauflösung voraus. Darüber hinaus zeigen sie, dass sich auch die Kombination beider Ansätze positiv auf die Detektoreigenschaften auswirken. Diese Ergebnisse wurden in Lichtkonzentrator-Experimenten mit einzelnen Szintillatoren bestätigt. Da die Herstellung phot. Kristalle eine große technologische Herausforderung darstellt, wurde eine neue Fertigungstechnik namens "direct nano imprinting" entwickelt. Dessen Machbarkeit wurde auf Glasswafern demonstriert. Die Arbeit endet mit einer Diskussion der Vor- und Nachteile von Lichtkonzentratoren und phot. Kristallen und deren Implikationen für zukünftige PET Systeme. / Positron emission tomography (PET) is a powerful medical imaging methodology to study functional processes. The light yield and coincident resolving time (CRT) of scintillator-based PET detectors are constrained by optical processes. These include light trapping in high refractive index media and incomplete light collection by photosensors. This work proposes the use of micro and nano optical devices to overcome these limitations with the ultimate goal to improve the signal-to-noise ratio and overall image quality of PET acquisitions. For this, a light concentrator (LC) to improve the light collection of silicon photomultipliers on the Geiger-cell level is studied. Further, two-dimensional photonic crystals (PhCs) are proposed to reduced light trapping in scintillators. The concepts are studied in detail using optical Monte Carlo simulations. To account for the diffractive properties of PhCs, a novel combined simulation approach is presented that integrates results of a Maxwell solver into a ray tracing algorithm. Samples of LCs and PhCs are fabricated with various semiconductor technologies and evaluated using a goniometer setup. A comparison between measured and simulated angular characteristics reveal very good agreement. Simulation studies of implementing LCs and PhCs into a PET detector module predict significant improvements of the light yield and CRT. Also, combining both concepts indicates no adverse effects but a rather a cumulative benefit for the detector performance. Concentrator experiments with individual scintillators confirm these simulation results. Realizing the challenges of transferring PhCs to scintillators, a novel fabrication method called direct nano imprinting is evaluated. The feasibility of this approach is demonstrated on glass wafers. The work concludes with a discussion of the benefits and drawbacks of LCs and PhCs and their implications for future PET systems.

Das erste gestellte Ziel war es, die histologischen Strukturen eines Gewebedünnschnittes anhand der aufgenommenen FT-IR-Spektren sichtbar zu machen und diese mit dem konventionell gefärbten Schnitt und der autoradiographischen Aufnahme zu vergleichen. Dazu wurde ein Messsystem bestehend aus einem FT-IR-Spektrometer mit Mikroskop und einem computergesteuerten XY-Tisch aufgebaut und die notwendige Steuer- und Auswerte-Software entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die FT-IR-Spektren mit geeigneten Auswerteverfahren zur Darstellung der histologischen Strukturen nutzen lassen. Dazu wurden zwei verschiedene Methoden eingesetzt, die PCA und die Fuzzy-Clusterung (FCM). Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte ein Klassifikations-Algorithmus gefunden werden, mit dessen Hilfe sich Spektren von unbekannten Gewebeproben vorher definierten Modellen zuordnen lassen. Dazu wurde eine Spektren-Datenbank aus mehr als einhundert Gewebeproben angelegt. Aus dieser Datenbank wurden einige zehntausend Spektren ausgewählt und zu Modell-Datensätzen für sechs verschiedene Gewebetypen zusammengefasst. Für die Zuordnung unbekannter Spektren zu diesen Modellen wurde ein SIMCA-Klassifikations-Algorithmus entwickelt sowie ein LDA-Algorithmus eingesetzt. Für beide Methoden wurde die Klassi-fikations-Leistung anhand der Spezifität und Sensitivität bestimmt. Beide Klassifikations-Algorithmen führten zu guten Ergebnissen. Der SIMCA-Algorithmus erreichte eine Spezifität zwischen 97 % und 100 %, sowie eine Sensitivität zwischen 62 % und 78 % (bei einem Vertrauensintervall von 97,5 %). Der LDA-Algorithmus ermöglichte eine etwas bessere Sensitivität von 72 % bis 90 %, auf Kosten der Spezifität, welche zwischen 90 % und 98 % lag. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich die FT-IR-Mikrospektroskopie und die vorgestellten Auswerte-Algorithmen sehr gut zur Klassifizierung von Gewebedünnschnitten eignen.

As a modern tomographic technique, Positron-Emission-Tomography (PET) enables non-invasive imaging of metabolic processes in living organisms. It allows the visualization of malfunctions which are characteristic for neurological, cardiological, and oncological diseases. Chemical tracers labeled with radioactive positron emitting isotopes are injected into the patient and the decay of the isotopes is then observed with the detectors of the tomograph. This information is used to compute the spatial distribution of the labeled tracers. Since the spatial resolution of PET devices increases steadily, the whole sensitive process of tomograph imaging requires minimizing not only the disturbing effects, which are specific for the PET measurement method, such as random or scattered coincidences, but also external effects like body movement of the patient. Methods to correct the influences of such patient movement have been developed in previous studies at the PET center, Rossendorf. These methods are based on the spatial correction of each registered coincidence. However, the large amount of data and the complexity of the correction algorithms limited the application to selected studies. The aim of this thesis is to optimize the correction algorithms in a way that allows movement correction in routinely performed PET examinations. The object-oriented development in C++ with support of the platform independent Qt framework enables the employment of multiprocessor systems. In addition, a graphical user interface allows the use of the application by the medical assistant technicians of the PET center. Furthermore, the application provides methods to acquire and administrate movement information directly from the motion tracking system via network communication. Due to the parallelization the performance of the new implementation demonstrates a significant improvement. The parallel optimizations and the implementation of an intuitive usable graphical interface finally enables the PET center Rossendorf to use movement correction in routine patient investigations, thus providing patients an improved tomograph imaging. / Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein modernes medizinisches Diagnoseverfahren, das nichtinvasive Einblicke in den Stoffwechsel lebender Organismen ermöglicht. Es erfasst Funktionsstörungen, die für neurologische, kardiologische und onkologische Erkrankungen charakteristisch sind. Hierzu werden dem Patienten radioaktive, positronen emittierende Tracer injiziert. Der radioaktive Zerfall der Isotope wird dabei von den umgebenden Detektoren gemessen und die Aktivitätsverteilung durch Rekonstruktionsverfahren bildlich darstellbar gemacht. Da sich die Auflösung solcher Tomographen stetig verbessert und somit sich der Einfluss von qualitätsmindernden Faktoren wie z.B. das Auftreten von zufälligen oder gestreuten Koinzidenzen erhöht, gewinnt die Korrektur dieser Einflüsse immer mehr an Bedeutung. Hierzu zählt unter anderem auch die Korrektur der Einflüsse eventueller Patientenbewegungen während der tomographischen Untersuchung. In vorangegangenen Studien wurde daher am PET Zentrum Rossendorf ein Verfahren entwickelt, um die nachträgliche listmode-basierte Korrektur dieser Bewegungen durch computergestützte Verfahren zu ermöglichen. Bisher schränkte der hohe Rechenaufwand den Einsatz dieser Methoden jedoch ein. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Aufgabe, durch geeignete Parallelisierung der Korrekturalgorithmen eine Optimierung dieses Verfahrens in dem Maße zu ermöglichen, der einen routinemässigen Einsatz während PET Untersuchungen erlaubt. Hierbei lässt die durchgeführte objektorientierte Softwareentwicklung in C++ , unter Zuhilfenahme des plattformübergreifenden Qt Frameworks, eine Nutzung von Mehrprozessorsystemen zu. Zusätzlich ermöglicht eine graphische Oberfläche die Bedienung einer solchen Bewegungskorrektur durch die medizinisch technischen Assistenten des PET Zentrums. Um darüber hinaus die Administration und Datenakquisition der Bewegungsdaten zu ermöglichen, stellt die entwickelte Anwendung Funktionen bereit, die die direkte Kommunikation mit dem Bewegungstrackingsystem erlauben. Es zeigte sich, dass durch die Parallelisierung die Geschwindigkeit wesentlich gesteigert wurde. Die parallelen Optimierungen und die Implementation einer intuitiv nutzbaren graphischen Oberfläche erlaubt es dem PET Zentrum nunmehr Bewegungskorrekturen innerhalb von Routineuntersuchungen durchzuführen, um somit den Patienten ein verbessertes Bildgebungsverfahren bereitzustellen.

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.

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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.

Die Cyclin-abhängigen Kinasen 4 und 6 (Cdk4/6) wurden als essentielle Enzyme für die Regulation des Zellzyklus mit kritischem Beitrag zur gestörten Zellproliferation während der Kanzerogenese identifiziert. Als Konsequenz davon erwiesen sich die Cdk4/6 als attraktive Zielproteine für die Entwicklung neuer therapeutischer Konzepte zur pharmakologischen Tumorbehandlung. Verbindungen aus der Substanzklasse der Pyrido[2,3-d]pyrimidine zeigten vielversprechende inhibitorische Wirkungen auf die Aktivität der Cdk4/6 bei gleichzeitiger herausragender Selektivität gegenüber anderen Cdk. Anschließende Untersuchungen in vitro und in vivo verdeutlichten das Potential einiger Pyrido[2,3 d]pyrimidine zur Inhibierung des Tumorzellwachstums. Die Weiterentwicklung und Nutzung selektiver Cdk4/6-Inhibitoren zur funktionellen Charakterisierung der Cdk4/6 in Tumoren in vivo mit Hilfe der nicht-invasiven Bildgebungstechnik Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein neuer vielversprechender Forschungsansatz und von großem Interesse für die Evaluierung neuer Strategien zur Diagnose und Therapie maligner Erkrankungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die biochemische und radiopharmakologische Charakterisierung neuer potentieller Cdk4/6-Inhibitoren aus der Verbindungsklasse der Pyrido[2,3-d]pyrimidine und deren Bewertung hinsichtlich ihrer therapeutischen Wirksamkeit zur gezielten Cdk4/6-Inhibierung in ausgewählten Tumorzelllinien sowie ihres Potentials zur funktionellen Bildgebung der Cdk4/6 in Tumoren mittels PET am Tiermodell. Die biochemische Charakterisierung der Pyrido[2,3 d]pyrimidine CKIA, CKIB, CKIC, CKID und CKIE hinsichtlich ihrer zellulären und molekularen Wirkung erfolgte in den kontinuierlich proliferierenden humanen Tumorzelllinien HT-29, FaDu und THP 1 und in differenzierten THP-1-Makrophagen. Die Zweckmäßigkeit der untersuchten Zelllinien zur Charakterisierung potentieller Cdk4/6-Inhibitoren wurde anhand von Studien zur mRNA-Expression und Proteinbiosynthese der Kinasen Cdk4/6 nachgewiesen. Des Weiteren wurde das Vorkommen der Cdk4/6 in den humanen Xenograft-Tumoren HT-29 und FaDu, sowie in ausgewählten Organen und Geweben von nu/nu-NMRI-Mäusen charakterisiert. In vitro wurden für alle untersuchten Pyrido[2,3-d]pyrimidine signifikante, konzentrations- und zeitabhängige inhibitorische Effekte auf die Tumorzellproliferation beobachtet. Durchflusszytometrische Zellzyklusanalysen 24 Stunden nach Inkubation mit den Pyrido[2,3 d]pyrimidinen zeigten eine konzentrationsabhängige Zunahme des Anteils der HT-29-, FaDu- und THP-1-Zellen in der G1-Phase bis auf 90%. Für die nicht-proliferierenden THP 1-Makrophagen wurden bei Inkubation mit den Pyrido[2,3 d]pyrimidinen geringe Veränderungen ihrer Zellzahl und Zellzyklusphasen-verteilung detektiert. Die zellulären Studien identifizierten deutliche qualitative und quantitative Unterschiede der untersuchten Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Derivate. Nanomolare Konzentrationen von CKIA, CKIB bzw. CKIE erzielten bereits 24 Stunden nach Inkubation deutliche Effekte, während für CKIC und CKID die 10- bis 100-fache Konzentration eingesetzt werden musste, um eine ähnliche Wirkung zu erhalten. Die molekularen Ursachen der Wachstumshemmung und des Zellzyklusarrests wurden durch Untersuchungen zur Pyrido[2,3 d]pyrimidin-abhängigen Beeinflussung des Cdk4/6-Cyclin D-Retinoblastom-E2F-Signalwegs geklärt. In allen Zelllinien wurde eine deutliche Inhibierung der Cdk4/6-spezifischen Phosphorylierung der Aminosäure Serin-780 des Retinoblastom-Proteins (pRb) beobachtet. Als Konsequenz dieser Inhibierung wurde für CKIA, CKIB und CKIE die signifikante konzentrationsabhängige Unterbrechung der Genexpression von E2F-1 und PCNA nachgewiesen. Die Radiomarkierung der Cdk4/6-Inhibitoren CKIA und CKIB mit 124I bzw. von CKIE mit 18F ermöglichte erstmals die Charakterisierung von in vivo-Interaktionen und des Metabolismus im Blut zirkulierender Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Derivate. Die radiopharmako-logischen Eigenschaften von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE wurden in Untersuchungen zur zellulären Radiotracer-Aufnahme, der metabolischen Stabilität und der Bioverteilung bei Ratten sowie abschließend in Kleintier-PET-Untersuchungen bei FaDu-Tumor-tragenden nu/nu-NMRI-Mäusen analysiert. In vitro-Experimente mit [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE verdeutlichten eine hohe Stabilität und schnelle Aufnahme der Radiotracer in humane Tumorzellen bei 37°C. Allerdings deutet die Zelltyp-unabhängige Anreicherung auf eine geringe Abhängigkeit der Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Akkumulation vom Cdk4/6-Status der Zellen hin. Die signifikant geringeren Aufnahmewerte aller untersuchten Pyrido[2,3-d]pyrimidine bei 4°C und die Blockierung der Aufnahme von [18F]CKIE mit nichtradioaktivem CKIE unterstützen die Vermutung spezifischer Transportmechanismen für die Aufnahme der Pyrido[2,3 d]pyrimidine. Untersuchungen von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE in vivo identifizierten eine schnelle, innerhalb weniger Minuten stattfindende Eliminierung aus dem Blut und die primäre Aufnahme in die Leber als grundlegende Stoffwechseleigenschaft aller drei Radiotracer. Aus den PET-Untersuchungen mit [124I]CKIA und [124I]CKIB bei FaDu-Tumor-tragenden Mäusen wurden nur marginale Anreicherungen der radioaktiven Substanzen im Bereich des Tumors festgestellt. Für [18F]CKIE wurde eine Akkumulation im proliferierenden Randbereich des Tumors beobachtet. Die schnelle Metabolisierung von [18F]CKIE im Blut sowie das konstante, geringe Verhältnis der Aktivität im Tumor zur Aktivität im Skelettmuskel wiesen allerdings auf eine unspezifische Anreicherung hin. Schlussfolgernd aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit wurde die Effektivität der Pyrido[2,3 d]pyrimidine CKIA, CKIB und CKIE hinsichtlich der Inhibierung der Cdk4/6-vermittelten Zellzyklusprogression gezeigt. Die antiproliferative Aktivität der Substanzen unterstützt eine weiterführende Evaluierung dieser Cdk4/6-Inhibitoren zur pharmakologischen Tumortherapie. Auf der Basis der erhaltenen radiopharmakologischen Ergebnisse werden die kurze biologische Halbwertszeit und unspezifische Tumoranreicherung von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE als limitierende Faktoren für die Eignung dieser Verbindungen als Radiotracer zur nicht-invasiven Bildgebung der Cdk4/6 im Zielgewebe mittels PET angesehen. Es bleibt zu klären, ob eine längere Verweildauer und höhere Stabilität radiomarkierter Pyrido[2,3-d]pyrimidine im Blut die Chance der Cdk4/6-spezifischen Gewebeanreicherung erhöhen oder Transport-mechanistische Effekte allein ausschlaggebend für die Anreicherung in Zellen und Geweben sind. Die Untersuchung optimierter Cdk4/6-selektiver Inhibitoren für die Charakterisierung und Therapie von Tumoren bleibt weiterhin ein interessanter Aspekt in der Tumorforschung.

EINLEITUNG: In der Diagnostik mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) liegt ein großes Potential hinsichtlich Diagnostik und Therapie einer Vielzahl von Erkrankungen. Gerade das radioaktive Isotop 18F eignet sich aufgrund hervorragender Zerfallseigenschaften besonders gut für die Entwicklung neuer Radiotracer für den klinischen Einsatz. Dabei haben sich Aminosäure (AS)-Tracer besonders bei der Darstellung von zerebralen Tumoren bewährt. Dies ist insbesondere auf eine erhöhte AS- Transportrate sowie eine erhöhte Proteinbiosyntheserate im Tumorgewebe zurückzuführen. ZIELE DER UNTERSUCHUNGEN: Eine große Hürde in der PET-Diagnostik besteht in der Entwicklung neuer Tracer, welche sich für den klinischen Einsatz eignen. Denn auch die Qualität von PET-Untersuchungen hängt stark von der Entwicklung selektiver PET-Tracer ab. Ziel dieser Studie war es daher, die neu entwickelten Phenylalanin (Phe)-Tracer zunächst in vitro zu evaluieren, bevor die Tracer bei erfolgsversprechenden Ergebnissen in verschiedenen subkutanen sowie orthotopen Tumormodellen in vivo eingesetzt wurden. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Entwicklung neuer Tracer für die Darstellung zerebraler Glioblastome gelegt, da diese nach wie vor meist zu einem späten Erkrankungszeitpunkt diagnostiziert werden und mit einer hohen Mortalität einhergehen. TIERE, MATERIAL UND METHODEN: Insgesamt 5 Tracer – 3-L-[18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe sowie α-Methyl-2-,3- und 4-[18F]FPhe – wurden hinsichtlich ihrer Bildeigenschaften im PET evaluiert. Als Referenztracer wurde jeweils der bereits etablierte Tracer [18F]Fluoroethyltyrosin ([18F]FET) eingesetzt. Zunächst wurde die prinzipielle Eignung der Tracer anhand von in vitro Zellaufnahmeversuchen an verschiedenen humanen Tumorzelllinien (MCF-7, PC-3 und U87 MG) evaluiert. Erste in vivo Versuche zur Biodistribution wurden an gesunden weiblichen und männlichen Ratten (Long Evans, je n=6) durchgeführt. Im Anschluss erfolgten Untersuchungen an einem subkutanen Tumormausmodell (männliche SCID-Mäuse, n=18) sowie einem orthotopen Gehirntumormodell an der Ratte (männliche RNU-Ratten, n=24). ERGEBNISSE: Die in vitro Traceraufnahme der evaluierten Phe-Tracer war höher oder ähnlich im Vergleich zu [18F]FET. Vor allem das AS-Transportsystem L sowie ASC waren am Transport der AS-Tracer beteiligt. Eine Proteininkorporation konnte für den Tracer 3-L-[18F]FPhe nachgewiesen werden. Insgesamt zeigten alle Tracer eine hohe metabolische Stabilität in gesunden Tieren in vivo. Die höchste Gehirnaufnahme wurde für die Tracer 3-L-[18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe beobachtet. Im subkutanen Tumormodell wiesen alle Tracer ähnliche Tumorbildgebungseigenschaften auf. Lediglich αM-2-[18F]FPhe zeigte in den MCF-7 Tumoren signifikant niedrigere Tumorwerte im Vergleich zu [18F]FET. Auch im orthotopen Modell war zu beobachten, dass sich die neuen Phe-Tracer nur geringgradig von [18F]FET unterschieden. Hier zeigten sich in den ersten Minuten post injectionem (p.i.) signifikant höhere Traceraufnahmen für 3-L-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe im orthotopen Glioblastom. Das Tumor/Gehirn-Verhältnis zeigte jedoch keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der untersuchten Tracer. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Insgesamt wiesen alle fünf evaluierten Tracer gute Tumorbildgebungseigenschaften auf. Die Enantiomere 3-L-[18F]FPhe und 3-D-[18F]FPhe unterschieden sich erstaunlicherweise kaum in ihrem biologischen Verhalten. Insbesondere für die Tracer 3-L-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe war eine hohe Tumortraceraufnahme zu beobachten. Alle Tracer ermöglichten eine sensitive Detektion orthotoper Glioblastome in der Ratte. Die signifikant höhere Tumoraufnahme von 3-L-[18F]FPhe sowie αM-3-[18F]FPhe in den ersten Minuten p.i. könnte die Scanzeiten von Gehirntumorpatienten verkürzen. Eine erhöhte Proteininkorporation zeigte keinen signifikanten Vorteil für 3-L-[18F]FPhe gegenüber [18F]FET. Insgesamt war kein klarer Vorteil gegenüber dem etablierten AS-Tracer [18F]FET zu sehen.:1. EINLEITUNG 2. LITERATURÜBERSICHT 2.1 Prinzip der Positronen-Emissions-Tomographie 2.2 Klinische Bedeutung von Phenylalanin. 2.3 Vor- und Nachteile Aminosäure-basierter PET-Tracer 2.4 Wichtige eingesetzte PET-Tracer in der zerebralen Tumorbildgebung 2.4.1 L-[methyl-11C]methionin ([11C]MET) 2.4.2 [11C]-α-Methyl-L-Tryptophan ([11C]AMT) 2.4.3 6-[18F]Fluor-L-3,4-dihydroxyphenylalanin ([18F]FDOPA) 2.4.4 [18F]Fluorethyltyrosin ([18F]FET) 2.5 Blut-Hirn-Schranke: Aufbau und tierartliche Unterschiede 2.5.1 Aufbau der Blut-Hirn-Schranke 2.5.2 Transport über die Blut-Hirn-Schranke 2.5.3 Tierartliche Unterschiede 2.5.4 Einfluss von Krankheiten auf die Blut-Hirn-Schranke 2.6 Aminosäurentransporter: Charakterisierung und Vorkommen in verschiedenen Tumorarten 2.6.1 Aminosäurentransportsystem L 2.6.1.1 LAT1/SLC7A5-Transporter 2.6.2 Aminosäurentransportsystem ASC 2.6.2.1 ASCT2/SLC1A5-Transporter 2.6.3 Aminosäurentransportsystem A 3. TIERE, MATERIAL UND METHODEN 3.1 Haltung der Versuchstiere 3.1.1 Haltung der Versuchsratten 3.1.2 Haltung der Versuchsmäuse 3.2 Anästhesie der Versuchstiere 3.3 Verwendete Materialien und Geräte 3.4 Verwendete Agenzien 3.5 Herstellung der 18F-markierten Tracer 3.5.1 Physikalische Grundlagen 3.5.2 Herstellung des radioaktiven Isotops 18F 3.5.3 Aminosäuren-Tracer auf Phenylalanin-Basis 3.6 Verwendete Zelllinien 3.6.1 U87 MG Zelllinie (humanes Glioblastom) 3.6.2 MCF-7 Zelllinie (humanes Brustadenokarzinom) 3.6.3 PC-3 Zelllinie (humanes Prostataadenokarzinom) 3.7 Zellaufnahmeversuche in vitro 3.7.1 Zellkultivierung 3.7.2 Versuchsdurchführung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.7.3 Versuchsdurchführung der kompetitiven Inhibitionsstudien 3.7.4 Versuchsdurchführung der Proteininkorporation 3.7.5 Messung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.8 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.8.1 Versuchstiere 3.8.2 Versuchsaufbau 3.9 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.9.1 Versuchstiere 3.9.2 Verwendete Zelllinien 3.9.3 Versuchsaufbau 3.9.4 Diagnostische Verfahren 3.10 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.10.1 Versuchstiere 3.10.2 Verwendete Zelllinie 3.10.3 Versuchsaufbau 3.10.4 Diagnostische Verfahren 3.10.5 Transkardiale Perfusion und Gehirnentnahme nach Versuchsende 3.11 PET-Messungen 3.11.1 Rekonstruktion der PET-Bilder 3.11.2 Auswertung der PET-Bilder mit der Software VINCI 3.11.3 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.11.4 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.11.5 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.12 Statistische Auswertung 4. ERGEBNISSE 4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 4.1.1 Zelluläre Tracer-Aufnahme 4.1.2 Kompetitive Inhibitionsstudien 4.1.3 Proteininkorporation 4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 4.2.1 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.2 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.3 α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.4 α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.5 α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.6 Vergleichende Auswertung 4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 4.3.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.3.2 PET-Messungen MCF-7 Zelllinie 4.3.3 PET-Messungen PC-3 Zelllinie 4.3.4 Vergleichende Auswertung 4.3.5 Histologische Verfahren 4.4.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.4.2 MRT- und PET-Messungen 4.4.3 Vergleichende Auswertung 4.4.4 Immunhistochemie 5. DISKUSSION 5.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 5.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 5.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 5.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 5.5 Synopsis: Gegenüberstellung der untersuchten Tracer 5.6 Ausblick 6. ZUSAMMENFASSUNG 7. SUMMARY 8. REFERENZEN 8.1 Abbildungsverzeichnis 8.2 Tabellenverzeichnis 8.3 Formelverzeichnis 8.4 Literaturverzeichnis 9. ANHANG 9.1 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.1.1 PET-Bilder und TACs 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.2 PET-Bilder und TACs 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.3 PET-Bilder und TACs α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.4 PET-Bilder und TACs α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.5 PET-Bilder und TACs α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.6 PET-Bilder und TACs [18F]Fluorethyltyrosin 9.2 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 9.2.1 MRT-und PET-Bilder 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.2 MRT-und PET-Bilder 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.3 MRT-und PET-Bilder α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.4 MRT-und PET-Bilder [18F]Fluorethyltyrosin 9.3 Durchführung der histologischen Verfahren 9.3.1 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 9.3.2 Anti-LAT1(SLC7A5)-Färbung 9.3.3 Anti-ASCT2(SLC1A5)-Färbung 9.4 Statistische Auswertung 9.4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 9.4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 9.4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.4.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 10. DANKSAGUNG / INTRODUCTION: Positron emission tomography (PET) has gained great potential for the diagnosis and treatment of a wide range of diseases. The radioactive isotope 18F is particularly well suited for the development of new radiotracers for clinical use due to its excellent decay properties. Amino acids (AA) have proven particularly useful in the imaging of cerebral tumors due to an increased protein synthesis rate and AA transport rates in tumor tissue. AIMS OF THE STUDIES: A major difficulty in PET diagnostics is the development of new tracers which are suitable for clinical use. This is because the quality of PET imaging depends heavily on the development of selective PET tracers. The aim of the study was therefore to preclinically evaluate the newly developed phenylalanine (Phe) tracers. After principle suitability was seen in in vitro cellular experiments, further experiments were performed in subcutaneous as well as orthotopic tumor models in vivo. Particular attention has been paid to the development of new tracers imaging cerebral glioblastomas, as they are mostly still diagnosed late and are associated with high mortality. ANIMALS, MATERIAL AND METHODS: A total of 5 Phe-based tracers – 3-L-[18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe as well as α-Methyl-2-,3- and 4-[18F]FPhe – were evaluated with regard to their imaging properties in PET. The already established tracer [18F]fluoroethyltyrosine ([18F]FET) was used as reference tracer in each case. First, the principle suitability of the tracers was evaluated by in vitro cell uptake experiments on various human tumor cell lines (MCF-7, PC-3 and U87 MG). Next, in vivo biodistribution studies were carried out on healthy female and male rats (Long Evans, n=6). Subsequently, experiments with subcutaneous tumor bearing mice (male SCID mice, n=18) and an orthotopic brain tumor model in the rat (male RNU rats, n=24) were performed. RESULTS: The in vitro cellular uptake of the evaluated Phe-tracers was higher or similar compared to [18F]FET. Significant inhibition of cellular uptake was seen in blocking the AA transport systems L and ASC. Protein incorporation could be demonstrated for 3-L-[18F]FPhe. Overall, all tracers showed high in vivo metabolic stability in healthy animals. The highest brain uptake was observed for the tracers 3-L- [18F]FPhe, 3-D-[18F]FPhe and αM-3-[18F]FPhe. In the subcutaneous tumor model, all tracers showed similar tumor imaging properties. Only αM-2-[18F]FPhe showed significantly lower tumor levels in the MCF-7 tumors compared to [18F]FET. It was also observed in the orthotopic model that the new Phe- based tracers differed only slightly from [18F]FET. Significantly higher tracer uptakes for 3-L-[18F]FPhe as well as αM-3-[18F]FPhe were seen in the first minutes post injection (p.i.) in the orthotopic tumor. However, the tumor-to-brain-ratio showed no significant differences. CONCLUSION: All five tracers evaluated showed good tumor imaging properties. Surprisingly, the enantiomers 3-L- [18F]FPhe and 3-D-[18F]FPhe hardly differed in their biological behaviour. In particular, a high tumour tracer uptake was observed for the tracers 3-L-[18F]FPhe as well as αM-3-[18F]FPhe. All tracers enabled sensitive detection of orthotopic glioblastomas in the rat. The significantly higher tumor uptake of 3-L-[18F]FPhe and αM-3-[18F]FPhe in the first minutes p.i. could shorten the scan times of brain tumour patients. Increased protein incorporation showed no significant advantage for 3-L- [18F]FPhe over [18F]FET. In summary, no clear advantage was seen over the established AA tracer [18F]FET.:1. EINLEITUNG 2. LITERATURÜBERSICHT 2.1 Prinzip der Positronen-Emissions-Tomographie 2.2 Klinische Bedeutung von Phenylalanin. 2.3 Vor- und Nachteile Aminosäure-basierter PET-Tracer 2.4 Wichtige eingesetzte PET-Tracer in der zerebralen Tumorbildgebung 2.4.1 L-[methyl-11C]methionin ([11C]MET) 2.4.2 [11C]-α-Methyl-L-Tryptophan ([11C]AMT) 2.4.3 6-[18F]Fluor-L-3,4-dihydroxyphenylalanin ([18F]FDOPA) 2.4.4 [18F]Fluorethyltyrosin ([18F]FET) 2.5 Blut-Hirn-Schranke: Aufbau und tierartliche Unterschiede 2.5.1 Aufbau der Blut-Hirn-Schranke 2.5.2 Transport über die Blut-Hirn-Schranke 2.5.3 Tierartliche Unterschiede 2.5.4 Einfluss von Krankheiten auf die Blut-Hirn-Schranke 2.6 Aminosäurentransporter: Charakterisierung und Vorkommen in verschiedenen Tumorarten 2.6.1 Aminosäurentransportsystem L 2.6.1.1 LAT1/SLC7A5-Transporter 2.6.2 Aminosäurentransportsystem ASC 2.6.2.1 ASCT2/SLC1A5-Transporter 2.6.3 Aminosäurentransportsystem A 3. TIERE, MATERIAL UND METHODEN 3.1 Haltung der Versuchstiere 3.1.1 Haltung der Versuchsratten 3.1.2 Haltung der Versuchsmäuse 3.2 Anästhesie der Versuchstiere 3.3 Verwendete Materialien und Geräte 3.4 Verwendete Agenzien 3.5 Herstellung der 18F-markierten Tracer 3.5.1 Physikalische Grundlagen 3.5.2 Herstellung des radioaktiven Isotops 18F 3.5.3 Aminosäuren-Tracer auf Phenylalanin-Basis 3.6 Verwendete Zelllinien 3.6.1 U87 MG Zelllinie (humanes Glioblastom) 3.6.2 MCF-7 Zelllinie (humanes Brustadenokarzinom) 3.6.3 PC-3 Zelllinie (humanes Prostataadenokarzinom) 3.7 Zellaufnahmeversuche in vitro 3.7.1 Zellkultivierung 3.7.2 Versuchsdurchführung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.7.3 Versuchsdurchführung der kompetitiven Inhibitionsstudien 3.7.4 Versuchsdurchführung der Proteininkorporation 3.7.5 Messung der zellulären Tracer-Aufnahme 3.8 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.8.1 Versuchstiere 3.8.2 Versuchsaufbau 3.9 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.9.1 Versuchstiere 3.9.2 Verwendete Zelllinien 3.9.3 Versuchsaufbau 3.9.4 Diagnostische Verfahren 3.10 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.10.1 Versuchstiere 3.10.2 Verwendete Zelllinie 3.10.3 Versuchsaufbau 3.10.4 Diagnostische Verfahren 3.10.5 Transkardiale Perfusion und Gehirnentnahme nach Versuchsende 3.11 PET-Messungen 3.11.1 Rekonstruktion der PET-Bilder 3.11.2 Auswertung der PET-Bilder mit der Software VINCI 3.11.3 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 3.11.4 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 3.11.5 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 3.12 Statistische Auswertung 4. ERGEBNISSE 4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 4.1.1 Zelluläre Tracer-Aufnahme 4.1.2 Kompetitive Inhibitionsstudien 4.1.3 Proteininkorporation 4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 4.2.1 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.2 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.3 α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.4 α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.5 α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 4.2.6 Vergleichende Auswertung 4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 4.3.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.3.2 PET-Messungen MCF-7 Zelllinie 4.3.3 PET-Messungen PC-3 Zelllinie 4.3.4 Vergleichende Auswertung 4.3.5 Histologische Verfahren 4.4.1 Versuchsablauf und Gewichtsentwicklung 4.4.2 MRT- und PET-Messungen 4.4.3 Vergleichende Auswertung 4.4.4 Immunhistochemie 5. DISKUSSION 5.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 5.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 5.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 5.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 5.5 Synopsis: Gegenüberstellung der untersuchten Tracer 5.6 Ausblick 6. ZUSAMMENFASSUNG 7. SUMMARY 8. REFERENZEN 8.1 Abbildungsverzeichnis 8.2 Tabellenverzeichnis 8.3 Formelverzeichnis 8.4 Literaturverzeichnis 9. ANHANG 9.1 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.1.1 PET-Bilder und TACs 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.2 PET-Bilder und TACs 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.3 PET-Bilder und TACs α-Methyl-2-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.4 PET-Bilder und TACs α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.5 PET-Bilder und TACs α-Methyl-4-[18F]Fluorphenylalanin 9.1.6 PET-Bilder und TACs [18F]Fluorethyltyrosin 9.2 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 9.2.1 MRT-und PET-Bilder 3-L-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.2 MRT-und PET-Bilder 3-D-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.3 MRT-und PET-Bilder α-Methyl-3-[18F]Fluorphenylalanin 9.2.4 MRT-und PET-Bilder [18F]Fluorethyltyrosin 9.3 Durchführung der histologischen Verfahren 9.3.1 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 9.3.2 Anti-LAT1(SLC7A5)-Färbung 9.3.3 Anti-ASCT2(SLC1A5)-Färbung 9.4 Statistische Auswertung 9.4.1 Zellaufnahmeversuche in vitro 9.4.2 Biodistributionsstudien in der gesunden Ratte 9.4.3 Subkutanes Tumor-Xenograft-Modell der Maus 9.4.4 Orthotopes Tumor-Xenograft-Modell der Ratte 10. DANKSAGUNG