Preclinical PET systems image animal models of chronic human disease that are used to evaluate new therapeutic strategies for the treatment of cancer and other diseases. Once these animals are out of a controlled environment for PET imaging, they typically can not be taken back as they may have been exposed to outside disease. A highly compact PET system is thus required to be developed that can operate within a bio-safety cabinet inside a barrier facility. We investigated using 100-mm-long LYSO scintillator crystals oriented in the axial direction and read out at both ends by position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs) to construct a compact PET. The optimization of light collection for axial encoding of events was carried out using different reflector materials and surface treatments of 3 × 2 × 100 mm3 and 2 × 2 × 100 mm3 polished crystals. The detector response was examined by irradiating the crystals at discrete positions using an electronically collimated 511 keV photon beam. The ratio of two PSPMT signals was used to find the axial-resolution while their sum was used to determine the energy resolution. We then explored the effects of creating systematic band patterns of surface roughing on 1 to 4 long surfaces of the crystals to modulate light-transport with the goal of further improving axial-resolution. These experimental results were used to benchmark DETECT2000 Monte Carlo simulations for our detector geometry. The axial-positioning calibration was carried out by evaluating a uniform flood-irradiation method and comparing with the collimated-irradiation method using 2 × 2 × 100 mm3 crystal detectors. The best axial-positioning resolution of 3.4 mm was achieved in this study for 2 × 2 × 100 mm3 Teflon-wrapped crystals with banding-patterns on only two opposite surfaces, fulfilling the design criteria of our proposed PET. The benchmarked DETECT2000 models can now be used to predict the performance of a complete detector module design. The calibration methods agreed if the trigger threshold energies were adjusted to give similar single event rates in both PSPMTs for uniform flood-irradiation. The implementation of flood-irradiation method in our complete PET scanner will provide a simple axial-positioning calibration.

Preclinical PET systems image animal models of chronic human disease that are used to evaluate new therapeutic strategies for the treatment of cancer and other diseases. Once these animals are out of a controlled environment for PET imaging, they typically can not be taken back as they may have been exposed to outside disease. A highly compact PET system is thus required to be developed that can operate within a bio-safety cabinet inside a barrier facility. We investigated using 100-mm-long LYSO scintillator crystals oriented in the axial direction and read out at both ends by position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs) to construct a compact PET. The optimization of light collection for axial encoding of events was carried out using different reflector materials and surface treatments of 3 × 2 × 100 mm3 and 2 × 2 × 100 mm3 polished crystals. The detector response was examined by irradiating the crystals at discrete positions using an electronically collimated 511 keV photon beam. The ratio of two PSPMT signals was used to find the axial-resolution while their sum was used to determine the energy resolution. We then explored the effects of creating systematic band patterns of surface roughing on 1 to 4 long surfaces of the crystals to modulate light-transport with the goal of further improving axial-resolution. These experimental results were used to benchmark DETECT2000 Monte Carlo simulations for our detector geometry. The axial-positioning calibration was carried out by evaluating a uniform flood-irradiation method and comparing with the collimated-irradiation method using 2 × 2 × 100 mm3 crystal detectors. The best axial-positioning resolution of 3.4 mm was achieved in this study for 2 × 2 × 100 mm3 Teflon-wrapped crystals with banding-patterns on only two opposite surfaces, fulfilling the design criteria of our proposed PET. The benchmarked DETECT2000 models can now be used to predict the performance of a complete detector module design. The calibration methods agreed if the trigger threshold energies were adjusted to give similar single event rates in both PSPMTs for uniform flood-irradiation. The implementation of flood-irradiation method in our complete PET scanner will provide a simple axial-positioning calibration.

Until recently, tests of vascular structure, function and compliance have been used predominantly for assessing the efficacy of treatment – for example, aggressive medical therapy may yield improvements in vascular structure and function with a concomitant decrease in cardiac events. However, the role of abnormal vessel function in the development of atherosclerosis, and the relationship of structural changes in peripheral vessels with coronary disease might suggest that these tests could be used as a screening test for patients with subclinical coronary disease. At present, there is insufficient evidence to support the theory that normal vascular structure and function can rule out significant coronary disease, and indeed, such an association may be confounded by the presence of risk factors that alter these test results in the absence of significant coronary artery disease (CAD). The overall hypothesis of the studies undertaken in this thesis was that utilizing contemporary technology during ultrasonic and tonometric assessment of arterial structure, function and compliance, it is possible to non-invasively characterise both early and advanced arterial dysfunction and identify patients both at risk and with cardiovascular disease. The aim of these studies was to determine whether these tests can be used to guide intervention when arterial dysfunction is diagnosed and whether they are robust enough as a follow-up tool. The thesis initially reviews arterial structure, function and compliance and their relationship to cardiovascular risk and in particular, CAD. This review provides a rationale for the studies undertaken here to resolve clinical and technical issues as well as provide an insight into the tests chosen to assess arterial function. The second chapter discusses the methodology used in these studies to assess arterial structure, function and compliance, diagnose coronary artery disease and determine cardiovascular risk. They range from stress echocardiography for the diagnosis of CAD to tests for arterial structure (carotid intima-media thickness [IMT]), endothelial function (brachial artery reactivity [BAR]), local arterial distensibility (distensibility coefficient [DC]) and systemic or total arterial compliance (TAC). In addition, several methods will be discussed for assessing local arterial elasticity with a novel imaging technique. The rationale for using tests for arterial structure, function and compliance in patients with CAD as well as cardiovascular risk is examined in chapter 3. Chapter 3 examines the use of TAC, IMT and BAR in patients undergoing dobutamine stress echocardiography (DSE) in a group of patients with and without disease. TAC was neither an independent predictor of CAD risk or patients having CAD in this study. BAR was a predictor of risk status but not of patients having CAD. Only IMT was an independent predictor of both patients at risk for CAD and those with CAD. In chapter 3 both pulse pressure and total arterial compliance were only univariate predictors of risk for CAD. Chapter 4 examines three different methods of estimating TAC, all based on the two-element Windkessel model in 320 patients with and without cardiovascular risk. The pulse-pressure method (PPM) is based on a combination of pressure, obtained using applanation tonometry of the radial artery, and an estimate of stroke volume obtained by Doppler echocardiography of the left ventricular outflow and by 2D echocardiographic dimension of the left ventricular outflow tract. The area method (AM) is an integral variation of the Windkessel equations and is based on the derived central pressure waveform. The stroke volume-pulse pressure method (SVPP) is a simple ratio of stoke volume and pulse pressure. We conclude that they correlate well and show similar differences between groups with and without risk. The PPM had the smallest difference from the mean and standard deviation in Bland Altman analysis and we therefore used the PPM for most future studies. Chapter 5 discusses the use of tissue Doppler for the derivation of central pressure and determination of distensibility coefficient, a marker of local arterial elasticity. Tissue Doppler can be used to evaluate the low frequency, high amplitude signals which come from tissue by changing filtering settings on an ultrasound machine. Using off-line software, the tissue velocities can be extracted and with a processing algorithm, vessel wall displacement values over time can be generated. These vessel wall displacement values which are in microns (µm) can then be used to calculated distensibility coefficient which is calculated as 2*((net displacement/minD)/PP). We studied a large group of patients with and without cardiovascular risk and conclude that DC using tissue Doppler correlates highly with DC by B-mode and M-mode imaging and is also very reproducible. In a subgroup, the vessel displacement values were “calibrated” using mean and diastolic pressure and with specialised software and a transfer function, central pressure wave forms were reconstructed. In this study we conclude that the central pressure obtained using tissue Doppler displacement of the carotid artery correlates highly with that obtained using applanation tonometry although there are technical challenges involved. With the known prognostic value of pulse pressure, chapter 6 explores whether there is added benefit to measuring total arterial compliance over pulse pressure alone. Once again patients with and without disease were studied and we conclude that brachial pulse pressure correlates well with TAC in men with normal cardiac function. However, in women and in patients at the low and high extremes of function, and in patients with preclinical and overt cardiovascular disease, there appears to be incremental value in measuring TAC. The role of cardiovascular risk factors in association with TAC is examined in chapter 7. Several studies have shown that TAC is lower in certain groups due to age, height, hypertension, hyperlipidaemia or other factors. We studied 720 patients with and without cardiovascular risk factors and did several multiple linear regression models based on anthropomorphic variables. Age was an independent correlate of TAC in most of the regression models and we conclude that TAC is associated with multiple risk factors, but age is a major determinant. The influence of age and other correlates may dwarf the contribution of individual risk factors and therefore their alteration with therapy. Chapter 8 examines the correlates of preclinical cardiovascular disease in both indigenous and non-indigenous Australians with and without diabetes mellitus (DM). DM is a major health problem in the Indigenous population in Australia and CVD occurs earlier in this group than in caucasians and is responsible for 1/3 of all deaths. We studied a large group of indigenous Australians with and without DM and matched them to a caucasian population. There were no differences in BAR between the groups probably due to large standard deviations in the measurements. In assessing DC, both DM groups had significantly lower DC than the non-DM groups. However, in the IMT analysis both of the indigenous groups had significantly higher IMT than their caucasian counterparts and even after IMT was corrected for age, Indigenous patients even at an early age had significantly higher IMT. We conclude that despite a high incidence of risk factors in indigenous Australians both with and without DM, ethnicity (and various other risk factors for which it is a marker) appears to be an independent predictor of preclinical cardiovascular disease. In chapter 3 we determined that TAC was not an independent correlate of patients either at risk of CAD or with CAD. Chapter 9 discusses the results of a study of patients presenting for stress echocardiography for either detection of CAD or risk stratification. Ischaemia was detected in 25% of cases and TAC was similar in those with and without ischaemia. In multiple linear regression models however, in addition to cardiovascular risk factors TAC was independently associated with both the presence of CAD and the extent of ischaemia at stress echocardiography. Several studies have used vascular function as an outcome measure in intervention trials, either lifestyle or pharmacologic. In chapter 10 we undertook a lifestyle and diet intervention study in a large group of healthy patients with type-II DM. The tests for IMT, BAR and TAC were used in addition to biochemical markers and fitness assessment. At follow-up the intervention group had significant changes in weight and BMI and significantly increased fitness but failed to show any changes in any of the vascular parameters. We conclude that while metabolic and fitness parameters respond to treatment in patients with type-II DM, the early changes seen in vascular structure, function and compliance may not change in the long term. Although TAC has been correlated with hypertension, LVH, myocardial ischaemia and heart failure there are few data existing regarding the relationship of TAC to outcome. In the final chapter of this thesis we sought whether TAC was predictive of outcome in a large, primary prevention group of patients with varying degrees of cardiovascular risk. We followed up 719 patients who were studied between 2001 and 2008 in Brisbane, Australia and examined TAC in relation to mortality and a composite endpoint of death or hospital admission. There were significant differences in groups having low and normal TAC for both death and the composite endpoint and in patients with intermediate and high Framingham 10-year risk TAC was an independent predictor of both death and the composite endpoint. We conclude that TAC correlates with outcome in patients with varying degrees of cardiovascular risk and also adds incremental benefit to Framingham risk alone in patients with intermediate risk.

Thesis (M.Sc. (Pharmaceutics))--Mahidol University, 2007. / LICL has E-Thesis 0025 ; please contact computer services.

Sanofi Pasteur travaille depuis plus de 20 ans au développement d’un vaccin contre la Dengue, maladie virale pouvant présenter des formes sévères. Ce vaccin, dénommé Dengue CYD est composé de quatre virus recombinants basés sur la souche vaccinale contre la Fièvre Jaune dans laquelle les gènes codant les protéines prM et E ont été remplacés par ceux des différents sérotypes de virus Dengue.Dans les études décrites ici, nous avons démontré la stabilité génétique des souches vaccinales au cours des étapes de production, et nous avons mis au point un système de qRT-PCR pour quantifier le génome viral afin de caractériser les lots et suivre les virémies post-vaccinales.De plus, différentes études précliniques menées chez le macaque ont permis :1) d’évaluer l’immunogénicité du vaccin après immunisation par différentes formulations vaccinales et selon différents schémas visant à réduire les interférences entre les sérotypes. L’administration de vaccins bivalents complémentaires à des sites anatomiques différents ou de façon séquentielle, l’établissement d’une pré-immunité hétérologue, une moindre dose relative du sérotype vaccinal dominant ou l’administration d’un rappel à un an ont ainsi permis de mettre en évidence des pistes d’amélioration du schéma vaccinal.2) d’évaluer la biodistribution et l’excrétion du vaccin afin de confirmer son innocuité.3) de tester la neutralisation d’un panel de souches virales par des sérums des singes vaccinés pour montrer que les anticorps induits par le vaccin peuvent neutraliser des souches Dengue circulantes d’origines géographiques et de génotypes variés.Enfin, l’absence de risque de dissémination du virus dans l’environnement via les tiques, arthropodes vecteurs d’autres Flavivirus, a été confirmée.Ces études ont permis d’apporter des éléments démontrant l’intérêt du vaccin Dengue CYD pour lancer des études cliniques et compléter les dossiers réglementaires visant à l’enregistrement du vaccin Dengvaxia® / Sanofi Pasteur has been working for more than 20 years to develop a vaccine against Dengue, viral disease that can cause life-threatening forms. The CYD Dengue vaccine is a tetravalent recombinant virus based on Yellow fever vaccine strain in which genes encoding prM and E proteins have been replaced by the corresponding genes from the different Dengue virus serotypes.In the studies described here, we demonstrated the genetic stability of the vaccine strains during the manufacturing steps and we set-up a qRT-PCR system to quantify viral genome in order to characterize batches and to follow post-vaccination viremia.In addition, different pre-clinical studies were conducted in macaques in order:1) To evaluate the vaccine immunogenicity after immunizations according to different schedules and formulations aiming at decreasing interferences between serotypes. Different parameters were shown to improve vaccine immunogenicity, such as administration of complementary bivalent vaccines at separate anatomical sites or sequentially, establishment of a heterologous pre-immunity, adaptation of the formulation by decreasing the dose of the dominant serotype or administration of a 1-year booster.2) To evaluate the biodistribution and shedding of the vaccine to confirm its safety3) To test neutralization by vaccinated-monkey sera of a panel of circulating viral strains to demonstrate that antibodies elicited by the vaccine should neutralize Dengue strains from different geographical origins and genotypesFinally, the absence of risk of dissemination of the virus in the environment via ticks, i.e. arthropods responsible for transmission of other Flaviviruses, was confirmed.These studies brought elements demonstrating the interest of the CYD Dengue vaccine to allow starting clinical trials and filing of technical dossiers supporting Dengvaxia® submission and registration

Asthma ist eine Erkrankung die das komplette Immunsystems involviert, ein System so komplex, dass es sich nur unzureichend in-vitro studieren lässt. Daher haben sich Mausmodelle als ein unverzichtbares Werkzeug in der präklinischen Asthmaforschung etabliert. Da es sich weiterhin bei Asthma um eine Erkrankung handelt, die durch eine schnelle Änderung der Symptome gekennzeichnet ist, wäre longitudinale vorzugsweise nicht-invasive Bildgebung, insbesondere bei der Entwicklung und Bewertung neuer Therapiekonzepte von großem Interesse. Nachteilig hingegen ist, dass die Darstellung der Mauslunge in der Praxis auf Grund der Größe des Organs und, im Falle einer in vivo Bildgebung, durch die Bewegung des Brustkorbes sich als äußerst schwierig herausstellt. Die Vielzahl der Luft-Gewebe-Grenzflächen erzeugt starke Streuung in der optischen Bildgebung, der große Hohlraum der Lunge verursacht Suszeptibilitätsartefakte bei der MRT und die Rippen erschweren eine Ultraschallbildgebung. Aus diesen Gründen besteht ein großer Bedarf an neuen Bildgebungsverfahren, um die durch Asthma verursachten anatomischen, funktionalen und molekularen Veränderungen darstellen zu können. Um die Schwierigkeiten in der Lungenbildgebung bei Mäusen zu umgehen, habe ich mich auf drei wesentliche Bildgebungsstrategien fokussiert: A) anatomische Bildgebung durch “inline free propagation phase contrast computed tomography”, B) direkte Messung der Lungenfunktion durch “low dose planar cinematic x-ray imaging” und C) funktionale Bildgebung mit Hilfe der „near infrared fluorescence imaging“ in Kombination mit Antikörpern, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden, oder “smart probes”, die in Gegenwart von Entzündungen aktiviert werden. Durch die Anwendung von “phase contrast computed tomography” für die anatomische Bildgebung war ich in der Lage morphologische Veränderung des Lungengewebes zu quantifizieren, indem ich lokal das Verhältnis zwischen Weichgewebe und Luft, das Zusammenziehen der Luftwege sowie das Anschwellen der Bronchialwände im asthmatischen Lungengewebe ausgewertet habe. Diese Parameter erlaubten es zwischen Mäusen von Asthmamodellen unterschiedlicher Schweregrade, therapierten und gesunden Mäusen zu unterscheiden. Zusätzlich ermöglichte diese Technik die Darstellung intra-tracheal applizierter Bariumsulfat markierter Makrophagen im Lungengewebe. Dies stellt meines Wissens die erste Kombination einer funktionalisierten Kontrastierung und hochauflösender Lungenbildgebung mittels CT unter in vivo ähnlichen Bedingungen dar. Um diese Ergebnisse mit dem Grad der asthmabedingten Kurzatmigkeit zu korrelieren, habe ich eine einfache und verlässige Methode entwickelt die es, basierend auf 2D Röntgen-videos niedriger Röntgendosis (~6,5mGy) erlaubt, in narkotisierten Mäusen die Lungenfunktion zu bewerten. Mit Hilfe dieser neuen Methode gelang es mir charakteristische Unterschiede in der Lungenfunktion von asthmatischen, therapierten und gesunden Mäusen in vivo über die Zeit nachzuweisen, und diese Resultate mit den Ergebnissen von CT und Histologie zu korrelieren. Das Verfahren wird derzeit von mir für die Anwendung an frei beweglichen und nicht narkotisierten Mäusen weiterentwickelt. Dies sollte zu einer deutlichen Stressreduktion für die Maus bei der Untersuchung führen und somit, vor allem in Asthma, im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie Plethysmographie, die Erhebung validerer Messdaten erlauben. Mit Hilfe von „near infrared fluorescence imaging“ konnten wir in vivo und longitudinal erfolgreich verschiedene durch Asthma ausgelöste molekulare Veränderungen in der Mauslunge verfolgen. Erstens erlaubte die Verwendung einer neuen Polyglyzerol Probe mit dendritischer Struktur (MN2012) die spezifisch an Selektine bindet, die Darstellung der durch Asthma verursachten Entzündung der Lunge. Im Zuge dessen konnten wir nachweisen, dass sich MN2012  zur Darstellung von Enzymkinetiken bei Entzündungsreaktionen durch eine schnellere Kinetik und höher Spezifität als kommerziell erhältliche Proben auszeichnet. Zweitens haben wir gezeigt, dass in Kombination mit einem Fluoreszenz markiertem Antikörper gegen SiglecF, einem Antigen das hauptsächlich auf Eosinophilen exprimiert ist, Eosinophilie in asthmatischen Mäusen verfolgt und der Effekt einer Dexamethason Behandlung  ebenso dargestellt werden kann. Drittens konnten wir den Verbleib inhalierter fluoreszierender Nanopartikel in der Lunge der Maus in vivo untersuchen und dabei nachweisen, dass diese hauptsächlich von endogenen Makrophagen im Lungengewebe aufgenommen werden. Alle diese Techniken wurden gegeneinander und mittels histologischer Analyse und Fluoreszenzmikroskopie korreliert und validiert.  Zusammenfassend bilden die in meiner Dissertation entwickelten Lungenbildgebungsstrategien für Asthmamausmodelle eine Bildgebungsplattform, um sowohl spezifische Effekte in asthmatischen Mäusen unterschiedlichen Schweregrades als auch die Auswirkungen neuer Therapien abzubilden und im Detail zu untersuchen.

Asthma ist eine Erkrankung die das komplette Immunsystems involviert, ein System so komplex, dass es sich nur unzureichend in-vitro studieren lässt. Daher haben sich Mausmodelle als ein unverzichtbares Werkzeug in der präklinischen Asthmaforschung etabliert. Da es sich weiterhin bei Asthma um eine Erkrankung handelt, die durch eine schnelle Änderung der Symptome gekennzeichnet ist, wäre longitudinale vorzugsweise nicht-invasive Bildgebung, insbesondere bei der Entwicklung und Bewertung neuer Therapiekonzepte von großem Interesse. Nachteilig hingegen ist, dass die Darstellung der Mauslunge in der Praxis auf Grund der Größe des Organs und, im Falle einer in vivo Bildgebung, durch die Bewegung des Brustkorbes sich als äußerst schwierig herausstellt. Die Vielzahl der Luft-Gewebe-Grenzflächen erzeugt starke Streuung in der optischen Bildgebung, der große Hohlraum der Lunge verursacht Suszeptibilitätsartefakte bei der MRT und die Rippen erschweren eine Ultraschallbildgebung. Aus diesen Gründen besteht ein großer Bedarf an neuen Bildgebungsverfahren, um die durch Asthma verursachten anatomischen, funktionalen und molekularen Veränderungen darstellen zu können. Um die Schwierigkeiten in der Lungenbildgebung bei Mäusen zu umgehen, habe ich mich auf drei wesentliche Bildgebungsstrategien fokussiert: A) anatomische Bildgebung durch “inline free propagation phase contrast computed tomography”, B) direkte Messung der Lungenfunktion durch “low dose planar cinematic x-ray imaging” und C) funktionale Bildgebung mit Hilfe der „near infrared fluorescence imaging“ in Kombination mit Antikörpern, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden, oder “smart probes”, die in Gegenwart von Entzündungen aktiviert werden. Durch die Anwendung von “phase contrast computed tomography” für die anatomische Bildgebung war ich in der Lage morphologische Veränderung des Lungengewebes zu quantifizieren, indem ich lokal das Verhältnis zwischen Weichgewebe und Luft, das Zusammenziehen der Luftwege sowie das Anschwellen der Bronchialwände im asthmatischen Lungengewebe ausgewertet habe. Diese Parameter erlaubten es zwischen Mäusen von Asthmamodellen unterschiedlicher Schweregrade, therapierten und gesunden Mäusen zu unterscheiden. Zusätzlich ermöglichte diese Technik die Darstellung intra-tracheal applizierter Bariumsulfat markierter Makrophagen im Lungengewebe. Dies stellt meines Wissens die erste Kombination einer funktionalisierten Kontrastierung und hochauflösender Lungenbildgebung mittels CT unter in vivo ähnlichen Bedingungen dar. Um diese Ergebnisse mit dem Grad der asthmabedingten Kurzatmigkeit zu korrelieren, habe ich eine einfache und verlässige Methode entwickelt die es, basierend auf 2D Röntgen-videos niedriger Röntgendosis (~6,5mGy) erlaubt, in narkotisierten Mäusen die Lungenfunktion zu bewerten. Mit Hilfe dieser neuen Methode gelang es mir charakteristische Unterschiede in der Lungenfunktion von asthmatischen, therapierten und gesunden Mäusen in vivo über die Zeit nachzuweisen, und diese Resultate mit den Ergebnissen von CT und Histologie zu korrelieren. Das Verfahren wird derzeit von mir für die Anwendung an frei beweglichen und nicht narkotisierten Mäusen weiterentwickelt. Dies sollte zu einer deutlichen Stressreduktion für die Maus bei der Untersuchung führen und somit, vor allem in Asthma, im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie Plethysmographie, die Erhebung validerer Messdaten erlauben. Mit Hilfe von „near infrared fluorescence imaging“ konnten wir in vivo und longitudinal erfolgreich verschiedene durch Asthma ausgelöste molekulare Veränderungen in der Mauslunge verfolgen. Erstens erlaubte die Verwendung einer neuen Polyglyzerol Probe mit dendritischer Struktur (MN2012) die spezifisch an Selektine bindet, die Darstellung der durch Asthma verursachten Entzündung der Lunge. Im Zuge dessen konnten wir nachweisen, dass sich MN2012  zur Darstellung von Enzymkinetiken bei Entzündungsreaktionen durch eine schnellere Kinetik und höher Spezifität als kommerziell erhältliche Proben auszeichnet. Zweitens haben wir gezeigt, dass in Kombination mit einem Fluoreszenz markiertem Antikörper gegen SiglecF, einem Antigen das hauptsächlich auf Eosinophilen exprimiert ist, Eosinophilie in asthmatischen Mäusen verfolgt und der Effekt einer Dexamethason Behandlung  ebenso dargestellt werden kann. Drittens konnten wir den Verbleib inhalierter fluoreszierender Nanopartikel in der Lunge der Maus in vivo untersuchen und dabei nachweisen, dass diese hauptsächlich von endogenen Makrophagen im Lungengewebe aufgenommen werden. Alle diese Techniken wurden gegeneinander und mittels histologischer Analyse und Fluoreszenzmikroskopie korreliert und validiert.  Zusammenfassend bilden die in meiner Dissertation entwickelten Lungenbildgebungsstrategien für Asthmamausmodelle eine Bildgebungsplattform, um sowohl spezifische Effekte in asthmatischen Mäusen unterschiedlichen Schweregrades als auch die Auswirkungen neuer Therapien abzubilden und im Detail zu untersuchen.

Asthma ist eine Erkrankung die das komplette Immunsystems involviert, ein System so komplex, dass es sich nur unzureichend in-vitro studieren lässt. Daher haben sich Mausmodelle als ein unverzichtbares Werkzeug in der präklinischen Asthmaforschung etabliert. Da es sich weiterhin bei Asthma um eine Erkrankung handelt, die durch eine schnelle Änderung der Symptome gekennzeichnet ist, wäre longitudinale vorzugsweise nicht-invasive Bildgebung, insbesondere bei der Entwicklung und Bewertung neuer Therapiekonzepte von großem Interesse. Nachteilig hingegen ist, dass die Darstellung der Mauslunge in der Praxis auf Grund der Größe des Organs und, im Falle einer in vivo Bildgebung, durch die Bewegung des Brustkorbes sich als äußerst schwierig herausstellt. Die Vielzahl der Luft-Gewebe-Grenzflächen erzeugt starke Streuung in der optischen Bildgebung, der große Hohlraum der Lunge verursacht Suszeptibilitätsartefakte bei der MRT und die Rippen erschweren eine Ultraschallbildgebung. Aus diesen Gründen besteht ein großer Bedarf an neuen Bildgebungsverfahren, um die durch Asthma verursachten anatomischen, funktionalen und molekularen Veränderungen darstellen zu können. Um die Schwierigkeiten in der Lungenbildgebung bei Mäusen zu umgehen, habe ich mich auf drei wesentliche Bildgebungsstrategien fokussiert: A) anatomische Bildgebung durch “inline free propagation phase contrast computed tomography”, B) direkte Messung der Lungenfunktion durch “low dose planar cinematic x-ray imaging” und C) funktionale Bildgebung mit Hilfe der „near infrared fluorescence imaging“ in Kombination mit Antikörpern, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden, oder “smart probes”, die in Gegenwart von Entzündungen aktiviert werden. Durch die Anwendung von “phase contrast computed tomography” für die anatomische Bildgebung war ich in der Lage morphologische Veränderung des Lungengewebes zu quantifizieren, indem ich lokal das Verhältnis zwischen Weichgewebe und Luft, das Zusammenziehen der Luftwege sowie das Anschwellen der Bronchialwände im asthmatischen Lungengewebe ausgewertet habe. Diese Parameter erlaubten es zwischen Mäusen von Asthmamodellen unterschiedlicher Schweregrade, therapierten und gesunden Mäusen zu unterscheiden. Zusätzlich ermöglichte diese Technik die Darstellung intra-tracheal applizierter Bariumsulfat markierter Makrophagen im Lungengewebe. Dies stellt meines Wissens die erste Kombination einer funktionalisierten Kontrastierung und hochauflösender Lungenbildgebung mittels CT unter in vivo ähnlichen Bedingungen dar. Um diese Ergebnisse mit dem Grad der asthmabedingten Kurzatmigkeit zu korrelieren, habe ich eine einfache und verlässige Methode entwickelt die es, basierend auf 2D Röntgen-videos niedriger Röntgendosis (~6,5mGy) erlaubt, in narkotisierten Mäusen die Lungenfunktion zu bewerten. Mit Hilfe dieser neuen Methode gelang es mir charakteristische Unterschiede in der Lungenfunktion von asthmatischen, therapierten und gesunden Mäusen in vivo über die Zeit nachzuweisen, und diese Resultate mit den Ergebnissen von CT und Histologie zu korrelieren. Das Verfahren wird derzeit von mir für die Anwendung an frei beweglichen und nicht narkotisierten Mäusen weiterentwickelt. Dies sollte zu einer deutlichen Stressreduktion für die Maus bei der Untersuchung führen und somit, vor allem in Asthma, im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie Plethysmographie, die Erhebung validerer Messdaten erlauben. Mit Hilfe von „near infrared fluorescence imaging“ konnten wir in vivo und longitudinal erfolgreich verschiedene durch Asthma ausgelöste molekulare Veränderungen in der Mauslunge verfolgen. Erstens erlaubte die Verwendung einer neuen Polyglyzerol Probe mit dendritischer Struktur (MN2012) die spezifisch an Selektine bindet, die Darstellung der durch Asthma verursachten Entzündung der Lunge. Im Zuge dessen konnten wir nachweisen, dass sich MN2012  zur Darstellung von Enzymkinetiken bei Entzündungsreaktionen durch eine schnellere Kinetik und höher Spezifität als kommerziell erhältliche Proben auszeichnet. Zweitens haben wir gezeigt, dass in Kombination mit einem Fluoreszenz markiertem Antikörper gegen SiglecF, einem Antigen das hauptsächlich auf Eosinophilen exprimiert ist, Eosinophilie in asthmatischen Mäusen verfolgt und der Effekt einer Dexamethason Behandlung  ebenso dargestellt werden kann. Drittens konnten wir den Verbleib inhalierter fluoreszierender Nanopartikel in der Lunge der Maus in vivo untersuchen und dabei nachweisen, dass diese hauptsächlich von endogenen Makrophagen im Lungengewebe aufgenommen werden. Alle diese Techniken wurden gegeneinander und mittels histologischer Analyse und Fluoreszenzmikroskopie korreliert und validiert.  Zusammenfassend bilden die in meiner Dissertation entwickelten Lungenbildgebungsstrategien für Asthmamausmodelle eine Bildgebungsplattform, um sowohl spezifische Effekte in asthmatischen Mäusen unterschiedlichen Schweregrades als auch die Auswirkungen neuer Therapien abzubilden und im Detail zu untersuchen.

Asthma ist eine Erkrankung die das komplette Immunsystems involviert, ein System so komplex, dass es sich nur unzureichend in-vitro studieren lässt. Daher haben sich Mausmodelle als ein unverzichtbares Werkzeug in der präklinischen Asthmaforschung etabliert. Da es sich weiterhin bei Asthma um eine Erkrankung handelt, die durch eine schnelle Änderung der Symptome gekennzeichnet ist, wäre longitudinale vorzugsweise nicht-invasive Bildgebung, insbesondere bei der Entwicklung und Bewertung neuer Therapiekonzepte von großem Interesse. Nachteilig hingegen ist, dass die Darstellung der Mauslunge in der Praxis auf Grund der Größe des Organs und, im Falle einer in vivo Bildgebung, durch die Bewegung des Brustkorbes sich als äußerst schwierig herausstellt. Die Vielzahl der Luft-Gewebe-Grenzflächen erzeugt starke Streuung in der optischen Bildgebung, der große Hohlraum der Lunge verursacht Suszeptibilitätsartefakte bei der MRT und die Rippen erschweren eine Ultraschallbildgebung. Aus diesen Gründen besteht ein großer Bedarf an neuen Bildgebungsverfahren, um die durch Asthma verursachten anatomischen, funktionalen und molekularen Veränderungen darstellen zu können. Um die Schwierigkeiten in der Lungenbildgebung bei Mäusen zu umgehen, habe ich mich auf drei wesentliche Bildgebungsstrategien fokussiert: A) anatomische Bildgebung durch “inline free propagation phase contrast computed tomography”, B) direkte Messung der Lungenfunktion durch “low dose planar cinematic x-ray imaging” und C) funktionale Bildgebung mit Hilfe der „near infrared fluorescence imaging“ in Kombination mit Antikörpern, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden, oder “smart probes”, die in Gegenwart von Entzündungen aktiviert werden. Durch die Anwendung von “phase contrast computed tomography” für die anatomische Bildgebung war ich in der Lage morphologische Veränderung des Lungengewebes zu quantifizieren, indem ich lokal das Verhältnis zwischen Weichgewebe und Luft, das Zusammenziehen der Luftwege sowie das Anschwellen der Bronchialwände im asthmatischen Lungengewebe ausgewertet habe. Diese Parameter erlaubten es zwischen Mäusen von Asthmamodellen unterschiedlicher Schweregrade, therapierten und gesunden Mäusen zu unterscheiden. Zusätzlich ermöglichte diese Technik die Darstellung intra-tracheal applizierter Bariumsulfat markierter Makrophagen im Lungengewebe. Dies stellt meines Wissens die erste Kombination einer funktionalisierten Kontrastierung und hochauflösender Lungenbildgebung mittels CT unter in vivo ähnlichen Bedingungen dar. Um diese Ergebnisse mit dem Grad der asthmabedingten Kurzatmigkeit zu korrelieren, habe ich eine einfache und verlässige Methode entwickelt die es, basierend auf 2D Röntgen-videos niedriger Röntgendosis (~6,5mGy) erlaubt, in narkotisierten Mäusen die Lungenfunktion zu bewerten. Mit Hilfe dieser neuen Methode gelang es mir charakteristische Unterschiede in der Lungenfunktion von asthmatischen, therapierten und gesunden Mäusen in vivo über die Zeit nachzuweisen, und diese Resultate mit den Ergebnissen von CT und Histologie zu korrelieren. Das Verfahren wird derzeit von mir für die Anwendung an frei beweglichen und nicht narkotisierten Mäusen weiterentwickelt. Dies sollte zu einer deutlichen Stressreduktion für die Maus bei der Untersuchung führen und somit, vor allem in Asthma, im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie Plethysmographie, die Erhebung validerer Messdaten erlauben. Mit Hilfe von „near infrared fluorescence imaging“ konnten wir in vivo und longitudinal erfolgreich verschiedene durch Asthma ausgelöste molekulare Veränderungen in der Mauslunge verfolgen. Erstens erlaubte die Verwendung einer neuen Polyglyzerol Probe mit dendritischer Struktur (MN2012) die spezifisch an Selektine bindet, die Darstellung der durch Asthma verursachten Entzündung der Lunge. Im Zuge dessen konnten wir nachweisen, dass sich MN2012  zur Darstellung von Enzymkinetiken bei Entzündungsreaktionen durch eine schnellere Kinetik und höher Spezifität als kommerziell erhältliche Proben auszeichnet. Zweitens haben wir gezeigt, dass in Kombination mit einem Fluoreszenz markiertem Antikörper gegen SiglecF, einem Antigen das hauptsächlich auf Eosinophilen exprimiert ist, Eosinophilie in asthmatischen Mäusen verfolgt und der Effekt einer Dexamethason Behandlung  ebenso dargestellt werden kann. Drittens konnten wir den Verbleib inhalierter fluoreszierender Nanopartikel in der Lunge der Maus in vivo untersuchen und dabei nachweisen, dass diese hauptsächlich von endogenen Makrophagen im Lungengewebe aufgenommen werden. Alle diese Techniken wurden gegeneinander und mittels histologischer Analyse und Fluoreszenzmikroskopie korreliert und validiert.  Zusammenfassend bilden die in meiner Dissertation entwickelten Lungenbildgebungsstrategien für Asthmamausmodelle eine Bildgebungsplattform, um sowohl spezifische Effekte in asthmatischen Mäusen unterschiedlichen Schweregrades als auch die Auswirkungen neuer Therapien abzubilden und im Detail zu untersuchen.

Asthma ist eine Erkrankung die das komplette Immunsystems involviert, ein System so komplex, dass es sich nur unzureichend in-vitro studieren lässt. Daher haben sich Mausmodelle als ein unverzichtbares Werkzeug in der präklinischen Asthmaforschung etabliert. Da es sich weiterhin bei Asthma um eine Erkrankung handelt, die durch eine schnelle Änderung der Symptome gekennzeichnet ist, wäre longitudinale vorzugsweise nicht-invasive Bildgebung, insbesondere bei der Entwicklung und Bewertung neuer Therapiekonzepte von großem Interesse. Nachteilig hingegen ist, dass die Darstellung der Mauslunge in der Praxis auf Grund der Größe des Organs und, im Falle einer in vivo Bildgebung, durch die Bewegung des Brustkorbes sich als äußerst schwierig herausstellt. Die Vielzahl der Luft-Gewebe-Grenzflächen erzeugt starke Streuung in der optischen Bildgebung, der große Hohlraum der Lunge verursacht Suszeptibilitätsartefakte bei der MRT und die Rippen erschweren eine Ultraschallbildgebung. Aus diesen Gründen besteht ein großer Bedarf an neuen Bildgebungsverfahren, um die durch Asthma verursachten anatomischen, funktionalen und molekularen Veränderungen darstellen zu können. Um die Schwierigkeiten in der Lungenbildgebung bei Mäusen zu umgehen, habe ich mich auf drei wesentliche Bildgebungsstrategien fokussiert: A) anatomische Bildgebung durch “inline free propagation phase contrast computed tomography”, B) direkte Messung der Lungenfunktion durch “low dose planar cinematic x-ray imaging” und C) funktionale Bildgebung mit Hilfe der „near infrared fluorescence imaging“ in Kombination mit Antikörpern, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden, oder “smart probes”, die in Gegenwart von Entzündungen aktiviert werden. Durch die Anwendung von “phase contrast computed tomography” für die anatomische Bildgebung war ich in der Lage morphologische Veränderung des Lungengewebes zu quantifizieren, indem ich lokal das Verhältnis zwischen Weichgewebe und Luft, das Zusammenziehen der Luftwege sowie das Anschwellen der Bronchialwände im asthmatischen Lungengewebe ausgewertet habe. Diese Parameter erlaubten es zwischen Mäusen von Asthmamodellen unterschiedlicher Schweregrade, therapierten und gesunden Mäusen zu unterscheiden. Zusätzlich ermöglichte diese Technik die Darstellung intra-tracheal applizierter Bariumsulfat markierter Makrophagen im Lungengewebe. Dies stellt meines Wissens die erste Kombination einer funktionalisierten Kontrastierung und hochauflösender Lungenbildgebung mittels CT unter in vivo ähnlichen Bedingungen dar. Um diese Ergebnisse mit dem Grad der asthmabedingten Kurzatmigkeit zu korrelieren, habe ich eine einfache und verlässige Methode entwickelt die es, basierend auf 2D Röntgen-videos niedriger Röntgendosis (~6,5mGy) erlaubt, in narkotisierten Mäusen die Lungenfunktion zu bewerten. Mit Hilfe dieser neuen Methode gelang es mir charakteristische Unterschiede in der Lungenfunktion von asthmatischen, therapierten und gesunden Mäusen in vivo über die Zeit nachzuweisen, und diese Resultate mit den Ergebnissen von CT und Histologie zu korrelieren. Das Verfahren wird derzeit von mir für die Anwendung an frei beweglichen und nicht narkotisierten Mäusen weiterentwickelt. Dies sollte zu einer deutlichen Stressreduktion für die Maus bei der Untersuchung führen und somit, vor allem in Asthma, im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie Plethysmographie, die Erhebung validerer Messdaten erlauben. Mit Hilfe von „near infrared fluorescence imaging“ konnten wir in vivo und longitudinal erfolgreich verschiedene durch Asthma ausgelöste molekulare Veränderungen in der Mauslunge verfolgen. Erstens erlaubte die Verwendung einer neuen Polyglyzerol Probe mit dendritischer Struktur (MN2012) die spezifisch an Selektine bindet, die Darstellung der durch Asthma verursachten Entzündung der Lunge. Im Zuge dessen konnten wir nachweisen, dass sich MN2012  zur Darstellung von Enzymkinetiken bei Entzündungsreaktionen durch eine schnellere Kinetik und höher Spezifität als kommerziell erhältliche Proben auszeichnet. Zweitens haben wir gezeigt, dass in Kombination mit einem Fluoreszenz markiertem Antikörper gegen SiglecF, einem Antigen das hauptsächlich auf Eosinophilen exprimiert ist, Eosinophilie in asthmatischen Mäusen verfolgt und der Effekt einer Dexamethason Behandlung  ebenso dargestellt werden kann. Drittens konnten wir den Verbleib inhalierter fluoreszierender Nanopartikel in der Lunge der Maus in vivo untersuchen und dabei nachweisen, dass diese hauptsächlich von endogenen Makrophagen im Lungengewebe aufgenommen werden. Alle diese Techniken wurden gegeneinander und mittels histologischer Analyse und Fluoreszenzmikroskopie korreliert und validiert.  Zusammenfassend bilden die in meiner Dissertation entwickelten Lungenbildgebungsstrategien für Asthmamausmodelle eine Bildgebungsplattform, um sowohl spezifische Effekte in asthmatischen Mäusen unterschiedlichen Schweregrades als auch die Auswirkungen neuer Therapien abzubilden und im Detail zu untersuchen.