Zugl.: Berlin, Freie Univ., DFiss., 2009

Festkörperspurdetektoren (FKSD) auf der Basis von Polymermaterialien sind ein geeignetes Mittel zum Nachweis von Ionenstrahlung [1]. Ebenso können damit Neutronen über ihre sekundären Ionen gemessen werden. Als passive und integrierende Detektoren eignen sie sich insbesondere gut für die Dosimetrie, wobei die geringe bzw. fehlende Empfindlichkeit für Elektronen und Photonenstrahlung ein weiteres Argument für die Anwendungen in gemischten Strahlungsfeldern darstellt. Als passive Detektoren arbeiten FKSD ohne zusätzliche Messelektronik und Stromversorgung. Das macht sie insbesondere für die Personen- und Ortsdosimetrie interessant. Allerdings sind die latenten, submikroskopischen Ionenspuren nach der Exposition nicht unmittelbar sichtbar. Erst durch einen mehr oder weniger aufwendigen Ätzprozess werden diese lichtmikroskopisch oder für das Auge direkt sichtbar. Da bei FKSD von der Herstellung bis zur Ätzung alle Ereignisse registriert werden, handelt es sich somit auch um integrierende Detektoren.Für die Dosimetrie ist insbesondere der Nachweis von leichten Ionen bis zu spezifischen Energien von 10 MeV / Nukleon wichtig. Protonenstrahlung wird für die Radiotherapie von Geschwulstkrankheiten angewendet; die meisten leichten Ionen der Elemente Wasserstoff bis Sauerstoff sind Bestandteile der Sekundärstrahlung von Neutronen,[Alpha]-Teilchen treten häufig als Zerfallsprodukt verschiedener schwerer Radioisotope auf. Während eine große Zahl von Polymeren eine Empfindlichkeit für schwere Ionen zeigen, ist die Auswahl für leichte Ionen schon sehr eingeschränkt.[Alpha]-Teilchen können noch mit verschiedenen Polykarbonaten, Zelluloseacetat und -nitrat nachgewiesen werden. Die Registrierung von Protonen ist derzeit nur mit dem besonderen Polykarbonat CR - 39 und mit Zellulose (di/tri) nitrat möglich. Natürlich eignen sich diese Materialien auch hervorragend zur Messung von [Alpha] -Teilchen. Leichte Ionen stellen weiterhin eine wichtige Sonde in der Radiobiologie dar. Festkörperspurdetektoren können hier als Monitore für die getroffenen Zellen und Zellbestandteile dienen. Dadurch ist prinzipiell eine genaue Lokalisierung der getroffenen Zellbausteine/Organellen möglich...

The present PhD thesis describes the synthesis and characterisation of Co(2+/3+) complexes with triarylamine-substituted polypyridyl-based ligands. A light- or temperature-induced intramolecular electron transfer between the Co and the triarylamine moieties was found in the tri-cationic complexes, which was examined with electrochemical measurements, DFT calculations, optical and dynamic 1H NMR spectroscopy. This process is coupled to a high-spin <--> low-spin transition on the metal. The emphasis of this PhD thesis was the adjustment of a redox equilibrium between the paramagnetic ([Co2+(L+)(L)]3+) and diamagnetic ([Co3+(L)2]3+) formulation (L = triarylaminedecorated ligands) via the electron transfer. The position of this equilibrium is influenced by the complexes' structure and environment. Constitutional changes in the ligand topology were performed to modify the electronic properties of the triarylamine substituents and to vary the distance between the redox centres, namely the Co ion and the triarylamine nitrogen atom. If they are located within their van-der-Waals radii, photochemical excitation of the diamagnetic ground state leads to the paramagnetic excited state. A temperature-dependent redox equilibrium was found with an increased distance between the redox centres (d = 8 Å), due to the different entropies of the redox isomers.

Radionuclide production is always the first step of radiopharmaceutical research. The production of n.c.a.197Hg together with the short-lived 197mHg isomer is possible by proton or deuteron irradiation of natural gold using a cyclotron, as two promising nuclear reactions reported: 197Au(p,n)197(m)Hg reaction, 197Au(d,2n)197(m)Hg reaction. The access to n.c.a. 197(m)Hg should be in sufficient quantity and quality so as to be suitable for analytical studies and labeling studies with small scale and for animal and other preclinical studies on large scale. Moreover, an improved design by studying irradiation time and energy will provide the facility with sufficient quantity and quality for imaging and experimental therapeutically purposes. The development of a rapid, reliable method for Hg/Au separation represents an important prerequisite for increasing yields which will obtain 197(m)Hg in higher activity level with the product elution into a small volume. Here, many of previously established methods for mercury separation should be employed, such as distillation of the metal, extraction by organic solvents, extraction by resin, etc. However, owing to the different mechanisms, these separations do not always give satisfactory results. The purity and the final volume of product, efficiency, automatization and total processing time of separation procedure, these factors are extremely important for the next coming labeling studies. Therefore, comparison studies need to be employed to select the most suitable method enable for labeling studies. Establishing strategies for development of 197(m)Hg labeled in vivo stable labeling units. Several ready-to-use chelators are urgent needed before 197(m)Hg labeling unit conjugated with any specific targeted molecules. Numerous factors need to be considered for the development of the agents: Firstly, a robust synthetic and labeling strategy should be developed for the chelators or precursors of 197(m)Hg. Secondly, it should be strongly stable (especially bio-stability) to avoid the accumulation of radioactive substances in non-target organs. Thirdly, water solubility should be high enough for animal administration and avoid the toxicity of organic solvent. Fourthly, high selectivity (specificity) to avoid the transchelation/side reaction(s) with other metal ions. There are mainly two different approaches for 197(m)Hg labeling, first kind of ligands are based on Hg-S bonds, which form 197(m)Hg-S based compounds. It is well known that mercury shows strong ability on chelating of thiols, dithiols, disulfide, sulfur based and other sulfur rich interacting ligands, which shows great potentials for 197(m)Hg labeling. Thus, thiol based chelators should be investigated in the thesis. 197(m)Hg-organometallics was the second. Mercury is unique among metals in its capability to form covalent Hg-C bonds and has its own organic chemistry because the existence of large numbers of organic Hg compounds, which shows great potential to be labeled and applied in the field of radiopharmacy. After synthesizing novel agents, its theranostics capability should be accessed by a series of in vitro and in vivo studies. Depending on the type of different agents, the radiolabeling strategies should be optimized. Soon afterwards, detailed analytical and in vitro characterization with high-performance liquid chromatography (HPLC), radio thin-layer chromatography (radio-TLC), among other methods should be performed to determine several radiochemical behaviors such as labeling efficiency and stability. Besides, for the purpose of in vivo animal studies, removal of organic solvents and well-suited methods for purification of the radiolabeled units should be developed if necessary. Then, the most promising radiolabeled compounds were selected for further pharmacokinetic studies in rats. In vivo SPECT imaging studies should be employed for further investigations of radiopharmacological behaviors.

Proton sources driven by high-power lasers are a promising addition to the portfolio of conventional proton accelerators. Regarding particle cancer therapy, where tumours are irradiated with protons or ions, the novel accelerator technology can be particularly beneficial for translational research - the research branch in which results of basic research are transferred to new approaches for the prevention, diagnosis and treatment of cancer. The overarching aim in the thesis at hand was a translational pilot study to irradiate tumours on mice’s ears with laser-accelerated protons while achieving the quality level of conventional proton accelerators. This is the only way to compare the radiobiological data of the novel accelerator technology with those of the established ones. To enable such experiments a predetermined dose distribution according to the radiobiological model’s requirements must be delivered to a sample volume. Ergo, the laser-driven protons have to be transported and shaped after their initial acceleration. Intense laser-driven proton pulses, inherently broadband and highly divergent, pose a challenge to established beamline concepts on the path to application-adapted irradiation field formation, particularly for 3D. This work demonstrates the successful implementation of a highly efficient and tuneable pulsed dual solenoid setup to generate a homogeneous (laterally and in depth) volumetric dose distribution using only a single dose pulse from the broad laser-driven proton spectrum. The experiments using the ALBUS-2S beamline were conducted at the titanium:sapphire high-power laser Draco PW at the Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf. The beamline and its model were characterised and verified via independent methods, leading to first experimental studies providing volumetrically homogeneous dose distributions to detector targets as well as tumour and normal tissue in proof-of-concept studies. To perform the mouse pilot study, a new solenoid with cooling capacities was designed, characterised and implemented in the course of this thesis. The combination of the new solenoid and an overall performance improvement of the laser-proton accelerator, enabled the successful conduction of the mouse model study. The results show that laser-accelerated protons induce a comparable tumour growth delay as protons from conventional accelerators. This outcome and the demonstration of the flawless interaction between laser-proton accelerator, beam transport, dosimetry and biology qualify the laser-based accelerator technology for complex studies in translational cancer research. Looking into the future, their unique extremely high intensity renders them of particular interest for the investigation into the ultra-high dose rate regime. There, the so-called FLASH effect shows fewer side effects in normal tissue while maintaining the same effect in the tumour when the target dose is administered in milliseconds rather than minutes, as currently common. The ALBUS-2S setup at Draco PW already provides all necessary conditions to realise irradiation times of around ten nanoseconds in preclinical studies. This significantly expands the parameter space for investigating the FLASH effect and is presented as a proof-of-concept in this thesis. / Protonenquellen, die von Hochleistungslasern getrieben werden, sind eine vielversprechende Ergänzung zu herkömmlichen Protonenbeschleunigern. Im Hinblick auf die Partikeltherapie von Krebserkrankungen, bei der Tumoren mit Protonen oder Ionen bestrahlt werden, kann die neuartige Beschleunigertechnologie vor allem der translationalen Forschung von Nutzen sein, in der die Ergebnisse der Grundlagenforschung in neue Ansätze zur Vorsorge, Diagnose und Behandlung von Krebserkrankungen übertragen werden. Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit war eine translationale Pilotstudie zur Bestrahlung von Tumoren an Mäuseohren mit laserbeschleunigten Protonen bei gleichzeitiger Erfüllung des Qualitätsniveaus konventioneller Protonenbeschleuniger. Mit den Ergebnissen ist ein Vergleich der strahlenbiologischen Daten der neuen und der etablierten Beschleunigertechnologie möglich. Um dieses Experiment zu realisieren, muss eine vorher festgelegte Strahlendosis, die den Anforderungen des radiobiologischen Modells entspricht, an ein Probenvolumen abgegeben werden. Die lasergetriebenen Protonenpulse müssen dafür nach ihrer Beschleunigung transportiert und geformt werden. Intensive lasergetriebene Protonenpulse sind von Natur aus breitbandig und stark divergent. Sie stellen eine Herausforderung für etablierte Beamline-Konzepte auf dem Weg zu einer anwendungsangepassten Bestrahlungsfeldbildung dar, insbesondere bei einer räumlichen Anwendung. Diese Arbeit zeigt die erfolgreiche Implementierung eines hocheffizienten und abstimmbaren gepulsten Zwei-Solenoid-Aufbaus zur Erzeugung einer homogenen (lateral und in der Tiefe) volumetrischen Dosisverteilung mit einem einzigen Dosispuls aus dem breiten lasergetriebenen Protonenspektrum. Die Experimente an der ALBUS-2S3 Beamline wurden am Titan:Saphir-Hochleistungslaser Draco4 PW am Helmholtz-Zentrum Dresden– Rossendorf durchgeführt. Die Beamline und ihr Modell wurden experimentell charakterisiert und mit unabhängigen Methoden verifiziert. Es konnten erste experimentelle Studien durchgeführt werden, bei denen volumetrisch homogene Dosisverteilungen auf Detektorziele sowie Tumor- und Normalgewebe in Proof-of-Concept Studien appliziert wurden. Für die Durchführung der Maus-Pilotstudie wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer kühlbarer Solenoid entworfen, charakterisiert und implementiert. Zusammen mit einer allgemeinen Leistungsverbesserung des Laser-Protonen Beschleunigers wurde die Pilotstudie erfolgreich abgeschlossen. Sie zeigt, dass laserbeschleunigte Protonen eine vergleichbare Verzögerung des Tumorwachstums bewirken wie Protonen aus konventionellen Beschleunigern. Dieses Ergebnis und der Nachweis des einwandfreien Zusammenspiels von Laser- Protonen-Beschleuniger, Strahltransport, Dosimetrie und Biologie qualifizieren die laserbasierte Beschleunigertechnologie für komplexe Studien in der translationalen Krebsforschung. Mit Blick auf die Zukunft sind sie aufgrund ihrer einzigartigen, extrem hohen Intensität besonders interessant für die Untersuchung im Bereich ultrahoher Dosisleistungen. Dort zeigt der so genannte FLASH-Effekt weniger Nebenwirkungen im gesunden Normalgewebe bei gleicher Wirkung im Tumor. Die Zieldosis wird dabei innerhalb von Millisekunden verabreicht und nicht, wie derzeit üblich, innerhalb von Minuten. Der ALBUS-2S-Aufbau bei Draco PW bietet bereits alle notwendigen Voraussetzungen, um in präklinischen Studien Bestrahlungszeiten von etwa zehn Nanosekunden zu realisieren. Dies erweitert den Parameterraum für die Untersuchung des FLASH-Effekts erheblich und wird in dieser Arbeit auch als Proof-of-Concept vorgestellt.

Mit der Erfindung des Lasers wurden kohärente Lichtquellen allgemein verfügbar. Technische Fortschritte bei Pulsleistung und Pulsdauer ermöglichen linearer und nichtlinearer Wechselwirkungen von Licht und Materie auf ultrakurzen Zeitskalen zu untersuchen. Die Erzeugung von hohen Harmonischen is heutzutage viel verwended um den lichtblitze im extremen Ultraviolett mit bis zu attosekunden pulsedauern zu erzeugen. Diese Methode wurde kürzlich für Spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung erweitert. In dieser wird ein ein Anregungs-Abfrage Aufbau vorgestellt, in dem Höhere Harmonische im weichen Röntgenspektralbereich erzeugt und als ultrakurze Abfrage-Pulse genutzt werden. Ein neu entworfenes Röntgenabsorptionsspektrometer ermöglicht die bisher beste Auflösung und den besten detektierten Fluss an der K-Kante von Stickstoff. Der Aufbau wird genutzt, um die Ionisationsdynamik von diatomarem Stickstoff auf Femtosekunden-Zeitskalen und die anschließende Pikosekunden-Plasmadynamik zu untersuchen. Im Bereich des "Air Lasing", in dem das Lasern von Stickstoff-Ionen, die durch Starkfeld-Ionisation entstehen, untersucht wird, werden neue Erkenntnisse gewonnen. Der geringe Absorptionsquerschnitt von Wasser zwischen den K-Kanten von Kohlenstoff und Sauerstoff, bekannt als Wasserfenster, ermöglicht die Untersuchung von Molekülen und Ionen in wässriger Lösung. Es werden die ersten in eine laser labor gemessenen stationären weichen Röntgenspektren für Ionen und molekulare Systeme in wässriger Lösung vorgestellt. Darüber hinaus wird der Ansatz auch für transiente Absorptionsspektren angewendet. Zusätzliche Daten von Strahlzeiten an Großgeräten ermöglichen einen Vergleich der Methoden. Schließlich werden Ergebnisse von BESSY II zur Untersuchung der Struktur und lokale Umgebung von Protonen in Wasser vorgestellt. Die K-Kanten-Spektroskopie von Protonen-Wasser-Komplexen in Acetonitril vorgestellt erlaubt es die elektronische Struktur der beteiligten Moleküle besser zu verstehen. / The invention of the laser made coherent light sources widely available. Technical advances in pulse power und pulse duration allow the study of linear and nonlinear interactions of light and matter and ultrashort time scales. The highest nonlinear frequency up-converting process, High-order harmonics generation, is today the standard for up to attosecond short table-top sources. This method has been recently applied for ultrafast spectroscopy in the soft x-ray water window. In this thesis, a table-top high-order harmonics setup is presented and used for pump-probe spectroscopy in the water window. A home-built soft x-ray absorption spectrometer enables the so far best resolution and detected flux at nitrogen K-edge. The setup is utilized to study ionization dynamics of diatomic nitrogen on femtosecond time scales and the subsequent picosecond plasma dynamics. In the realm of air lasing, where lasing in nitrogen ions formed by strong field ionization is studied new insides are provided, narrowing down possible theoretical interpretations. The low absorption cross section of water between the carbon and oxygen K-edges known as the water window, enables to investigate molecules and ions in aqueous solution. The first steady-state soft x-ray spectra are presented for ions and molecular systems in aqueous solution recorded with a table-top laser based setup. Furthermore, the approach is also applied for transient absorption spectra. Additional data from beamtimes at large scale facilities allow for a comparison of the approaches. Finally, spectroscopic results taken at BESSY II are presented. The structure and local environment of excess protons in water is studied for more than two centuries and are still controversially discussed. Investigating proton-water complexes in acetonitrile with oxygen K-edge spectroscopy allows for a local probing of electronic orbital interactions and electric field effects on the electronic structure of the participating water molecules.

Die Protonentherapie zeichnet sich durch steile Dosisgradienten und damit einen gut lokalisierbaren Energieübertrag aus. Um dieses Potential voll ausschöpfen zu können, werden weltweit Möglichkeiten erforscht, die Dosisdeposition und insbesondere die Reichweite der Protonen im Patienten zu verifizieren. Eine vielversprechende, erst im letzten Jahrzehnt entdeckte Methode ist das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT), das auf der Abhängigkeit der detektierten Flugzeitverteilung prompter Gammastrahlung von der Transitzeit der Protonen im Patienten beruht. In dieser Arbeit wird eine Geant4-Simulation zur Vorhersage der PGT-Spektren bei Bestrahlung eines PMMA-Phantoms entwickelt und durch den Vergleich mit experimentellen Daten validiert. Sowohl die Emissionsausbeute prompter Gammastrahlung im Phantom als auch die Detektionsrate werden abhängig von der Protonenenergie analysiert. Zur Vergleichbarkeit mit den gemessenen Spektren wird eine mehrschrittige Prozessierung der Simulationsergebnisse vorgestellt. Schließlich wird die Simulation genutzt, um die Sensitivität der PGT-Methode auf Reichweitenänderungen zu demonstrieren. Dafür können in das Phantom Cavitäten unterschiedlicher Dicke und verschiedenen Materials eingefügt werden. Für geeignet gewählte Verteilungsparameter der simulierten PGT-Spektren wird deren detektierte Änderung mit der bekannten induzierten Reichweitenänderung ins Verhältnis gesetzt. Die so bestimmte Sensitivität ist mit früheren Ergebnissen für gemessene Spektren im Rahmen der Unsicherheiten in Übereinstimmung.:1 Einleitung und Motivation 1 2 Theoretische Grundlagen 5 2.1 Wechselwirkung von Protonen mit Materie 5 2.1.1 Bethe-Bloch-Gleichung 6 2.1.2 Reichweite im CSDA-Modell 9 2.1.3 Tiefendosiskurve und Bragg-Peak 10 2.2 Prompt Gamma-Ray Timing 11 2.2.1 Emission prompter Gammastrahlung 11 2.2.2 Korrelation zur Protonen-Reichweite und Dosisdeposition 11 2.2.3 Idee des Prompt Gamma-Ray Timings 14 3 Material und Methoden 17 3.1 Dresdner IBA-Protonentherapie 17 3.1.1 Beschleunigungsprinzip des Isochronzyklotrons 17 3.1.2 Zeitliche Struktur der Protonen-Pakete 18 3.2 Teilchentransportrechnungen mit Geant4 20 3.3 PLD-Format für Pencil-Beam-Scanning-Pläne 21 3.3.1 Geometrische Definition der Spots 21 3.3.2 Dosimetrische Definition der Spots 23 3.3.3 Verwendete Bestrahlungspläne 24 3.4 Messaufbau zur experimentellen Validierung 26 3.4.1 Target – PMMA-Phantom mit verschiedenen Cavitäten 27 3.4.2 Detektoren – CeBr3-Szintillatoren mit Photomultipliern 27 4 Ergebnisse und Diskussion 29 4.1 Simulierte Emission prompter Gammastrahlung 29 4.1.1 Simulierte Emissionsspektren 29 4.1.2 Simulierte Emissionsprofile 30 4.1.3 Totale Emissionsausbeute 31 4.2 Simulierte Detektion prompter Gammastrahlung 33 4.2.1 Detektionsrate und Raumwinkeleffekt 33 4.2.2 Simulierte PGT-Spektren 35 4.2.3 Simulierte Energiespektren 37 4.3 Vergleich simulierter und gemessener Spektren 39 4.3.1 Nachverarbeitung der Simulationsergebnisse 40 4.3.2 Auswahl des Energiefensters 45 4.3.3 Empirisches Modell zur Beschreibung der Zeitspektren 47 4.3.4 Diskussion systematischer Abweichungen 49 4.4 Sensitivität der Simulation gegenüber induzierten Reichweitenänderungen 51 5 Zusammenfassung und Ausblick 59 Anhang 61 A Parameter des Messaufbaus 61 B Angepasste Modellparameter aus Abbildung 4.12 62 C Sensitivität auf Reichweitenänderung bei 162 MeV 63 Literaturverzeichnis 69 / Proton therapy is characterized by steep dose gradients and thus a well-localizable energy transfer. To fully harness this potential, possibilities are being explored worldwide to verify the dose deposition and especially the range of protons in the patient. A promising method discovered only in the last decade is prompt gamma-ray timing (PGT), which relies on the dependence of the detected time-of-flight distribution of prompt gamma radiation on the transit time of protons in the patient. In this study, a Geant4 simulation is developed to predict PGT spectra during irradiation of a PMMA phantom and validated by comparison with experimental data. Both the emission yield of prompt gamma radiation in the phantom and the detection rate are analyzed depending on the proton energy. For comparability with the measured spectra, a multi-step processing of the simulated results is presented. Finally, the simulation is used to demonstrate the sensitivity of the PGT method to changes in range. For this purpose, cavities of different thicknesses and materials can be inserted into the phantom. For appropriately chosen distribution parameters of the simulated PGT spectra, their detected change is compared to the known induced change in range. The sensitivity determined in this way is consistent with previous results for measured spectra within the uncertainties.:1 Einleitung und Motivation 1 2 Theoretische Grundlagen 5 2.1 Wechselwirkung von Protonen mit Materie 5 2.1.1 Bethe-Bloch-Gleichung 6 2.1.2 Reichweite im CSDA-Modell 9 2.1.3 Tiefendosiskurve und Bragg-Peak 10 2.2 Prompt Gamma-Ray Timing 11 2.2.1 Emission prompter Gammastrahlung 11 2.2.2 Korrelation zur Protonen-Reichweite und Dosisdeposition 11 2.2.3 Idee des Prompt Gamma-Ray Timings 14 3 Material und Methoden 17 3.1 Dresdner IBA-Protonentherapie 17 3.1.1 Beschleunigungsprinzip des Isochronzyklotrons 17 3.1.2 Zeitliche Struktur der Protonen-Pakete 18 3.2 Teilchentransportrechnungen mit Geant4 20 3.3 PLD-Format für Pencil-Beam-Scanning-Pläne 21 3.3.1 Geometrische Definition der Spots 21 3.3.2 Dosimetrische Definition der Spots 23 3.3.3 Verwendete Bestrahlungspläne 24 3.4 Messaufbau zur experimentellen Validierung 26 3.4.1 Target – PMMA-Phantom mit verschiedenen Cavitäten 27 3.4.2 Detektoren – CeBr3-Szintillatoren mit Photomultipliern 27 4 Ergebnisse und Diskussion 29 4.1 Simulierte Emission prompter Gammastrahlung 29 4.1.1 Simulierte Emissionsspektren 29 4.1.2 Simulierte Emissionsprofile 30 4.1.3 Totale Emissionsausbeute 31 4.2 Simulierte Detektion prompter Gammastrahlung 33 4.2.1 Detektionsrate und Raumwinkeleffekt 33 4.2.2 Simulierte PGT-Spektren 35 4.2.3 Simulierte Energiespektren 37 4.3 Vergleich simulierter und gemessener Spektren 39 4.3.1 Nachverarbeitung der Simulationsergebnisse 40 4.3.2 Auswahl des Energiefensters 45 4.3.3 Empirisches Modell zur Beschreibung der Zeitspektren 47 4.3.4 Diskussion systematischer Abweichungen 49 4.4 Sensitivität der Simulation gegenüber induzierten Reichweitenänderungen 51 5 Zusammenfassung und Ausblick 59 Anhang 61 A Parameter des Messaufbaus 61 B Angepasste Modellparameter aus Abbildung 4.12 62 C Sensitivität auf Reichweitenänderung bei 162 MeV 63 Literaturverzeichnis 69

Diese Schrift faßt in zwei Abschnitten eigene Beiträge zur Einführung der lokalisierten Magnetresonanzspektroskopie (MRS) und der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) in die diagnostische Medizin zusammen. Im ersten Teil wird beschrieben, wie die biochemischen Metabolite N-Azetylaspartat, Kreatin und Phosphokreatin, cholin-enthaltende Verbindungen und Laktat durch die Einführung der stimulierten Echo-Akquisitionsmethode (STEAM) als Lokalisationstechnik in die diagnostische Magnetresonanzspektroskopie in definierten Hirnregionen gesunder Versuchspersonen nichtinvasiv zugänglich gemacht und erstmals in Form von In-vivo-Konzentrationen quantifiziert werden konnten. Daraufhin wird gezeigt, wie die Weiterentwicklung der robusten STEAM-Technik zu kurzen Echozeiten das Signal-zu-Rauschverhältnis und damit die Messung kleinerer Untersuchungsvolumina erheblich verbesserte. Zudem wurde dadurch die Erkennung und Quantifizierung weiterer Metabolite wie z. B. des myo- und scyllo-Inosits, des Glutamats und Glutamins, des N-Azetylaspartylglutamats und der Glukose ermöglicht. Diese Methode setzte damit zusammen mit der verwendeten linearen Kombinationsmethode (LCModel) zur Konzentrationsbestimmung den spektralen Qualitätsstandard des gesamten letzten Jahrzehnts. Ferner werden die parallelen Pionierarbeiten zu Hirnerkrankungen fokaler und generalisierter Art beleuchtet. Diese Anwendungen der lokalisierten STEAM-Protonenspektroskopie in Einzelvolumentechnik zur Messung umschriebener Prozesse umfassen zerebrale Tumore und Infarkte, Plaques der multiplen Sklerose sowie andere entzündliche und degenerative Läsionen. Auch die lokalisierte STEAM-Phosphorspektroskopie und nichtzerebrale Anwendungen wie die lokalisierte Protonenspektroskopie von Faserbündeln des Skelettmuskels und der Niere bauen weitgehend auf diesem Fortschritt in der Methode auf. Zusätzlich werden Anwendungen bei generalisierten Erkrankungen gestreift, speziell angeborenen Stoffwechselerkrankungen des Kindesalters wie mitochondrialen und lysosomalen Defekten, Stoffwechselentgleisungen bei Diabetes mellitus und Leberzirrhose, psychiatrischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Demenz. Die weitere Verbreitung dieser Erkenntnisse in die klinische Diagnostik wird entscheidend von der Beachtung des hier eingeführten Qualitätsmaßstabs und der darauf aufbauenden absoluten Metabolitquantifizierung abhängen. Der zweite Teil dieser Arbeit faßt ausgehend von funktionellen protonenspektroskopischen Untersuchungen des visuellen Kortex bei photischer Aktivierung Fortschritte zusammen, die bei der Entwicklung und Anwendung der suszeptibilitätsempfindlichen MR-Tomografie zur Messung physiologischer Hirnaktivierung mit dem Modell der visuellen Stimulation erzielt wurden. Während die Belastung des Energiestoffwechsels im angeregten striatären Kortex anhand abgesunkener Gewebespiegel von Glukose und angestiegener Laktatkonzentrationen mithilfe der zeitaufgelösten Spektroskopie beobachtet werden konnte, gelang die Demarkierung der Ausdehnung der Hirngewebeaktivierung mithilfe der T2*-gewichteten FLASH-MRT, die begleitende Verminderungen des paramagnetischen Desoxyhämoglobins im funktionell aktiven Gewebe mit Anstiegen der Bildsignalintensität wiedergibt. Schließlich werden Untersuchungen beschrieben, die die Empfindlichkeit dieses endogenen, sauerstoffspiegelabhängigen Suszeptibilitätskontrastes für die Wirkung verschiedener Medikamente bzw. pharmakologischer Stimulantien zeigen, die direkt oder indirekt über bestimmte vaskuläre Rezeptoren wirken. Diese Untersuchungen befördern wiederum ein neues Gebiet der Bildgebung, die pharmakologische MRT. / This work has two main parts that summarize pioneering contributions to localized magnetic resonance spectroscopy (MRS), functional magnetic resonance tomography (fMRI), and the introduction of these modalities into diagnostic medicine. First, it is described how biochemical metabolites such as the intracellular pools of N-acetylaspartate, creatine and phosphocreatine, choline-containing compounds, and lactate have been made accessible to noninvasive detection and to the quantification of their respective concentrations in vivo in defined cerebral regions of healthy subjects by utilizing the stimulated echo-acquisition mode (STEAM) localization technique. Then it is shown that further development of the robust STEAM technique to short echo times not only increased the signal-to-noise of the measurement, thereby providing access to smaller volumes-of-interest, but also allowed for the detection and quantification of additional metabolites such as myo- and scyllo-inositol, glutamate, glutamine, N-acetylaspartylglutamate, and glucose. Thus, together with the adoption of the linear combination method (LCModel) for concentration calculation, this method has set the standard for spectroscopic state-of-the-art in the field well over the last decade. Moreover, pioneering achievements have been highlighted with regard to applications in brain diseases of focal and generalized nature. Pertinent applications of localized single-volume STEAM proton spectroscopy to circumscribed processes include cerebral tumors, cerebral infarction, multiple sclerosis plaques, and other inflammatory and degenerative lesions. Also localized STEAM phosphorus spectroscopy and non-cerebral applications including localized proton spectroscopy of skeletal muscle and kidney largely depend on the short-echo time STEAM technique. In addition, applications in generalized disorders have been explored, which include inborn errors of metabolism in childhood, such as mitochondrial and lysosomal defects, metabolic disturbances in diabetes mellitus and liver cirrhosis, and psychiatric diseases such as Alzheimer's dementia. The further utilization of these novel methods in clinical diagnostics will heavily depend on quality measures and the mastering of a true quantification procedure as demonstrated. Second, this work summarizes achievements made in developing and applying both proton MR spectroscopy and susceptibility-sensitized MR imaging to measure physiologic brain activation using visual stimulation as a model. Whereas metabolic stress, brought upon the bioenergetic steady state in the responding striate cortex, was detected by decreased parenchymal glucose and increased lactate using time-resolved spectroscopy, mapping the extent of parenchymal activation was found to be possible by increases of image intensity in T2*-weighted FLASH MRI made sensitive to concomitant decreases of paramagnetic deoxyhemoglobin in the functionally active tissue. Finally, studies are described, which show the sensitivity of this endogenous, susceptibility-sensitive contrast, now generally known as BOLD effect, to various drugs or pharmacologic stimuli acting either directly or indirectly on vascular receptors. These latter studies open up again a new field of imaging, dubbed pharmacologic MRI.

Bildgebende Studien haben gezeigt, dass bei schizophrenen Patienten Positivsymptome mit Veränderungen mesolimbischer Aktivierungsmuster unter Einbeziehung des Nucleus accumbens in Zusammenhang stehen. Hierbei ist von besonderem Interesse, dass der Nucleus accumbens Teil des Belohnungssystems ist, wobei die integrale „Bewertung“ belohnungsanzeigender Reize präfrontalen kortikalen Strukturen, insbesondere dem anterioren Zingulum, zuzurechnen ist. Bereits in der Antizipationsphase potentiell belohnender Reize, werden vermutlich zur Berechnung von Prädiktionsabweichungen dopaminerge Signale in der VTA generiert und modulieren den Nucleus accumbens. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass glutamaterge Neurone des anterioren Zingulums die Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens beeinflussen, und dass diese Modulation bei Erkrankungen wie der Schizophrenie beeinträchtigt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Protonen Magnetresonanzspektroskopie, Hinweise über den Zusammenhang zwischen der glutamatergen Neurotransmission des ACC und belohnungsassoziierter Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens bei 23 gesunden Probanden und bei 23 unmedizierten schizophrenen Patienten zu erlangen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die gegenseitige Modulation von anteriorem Zingulum und Nucleus accumbens bei schizophrenen Patienten gestört ist. Dieses und weitere Ergebnisse wurden im theoretischen Rahmen der NMDA-Rezeptor-Hypoaktivität und einer gestörten Balance zwischen Dopamin-D1- und Dopamin-D2-Rezeptor-Aktivität als pathophysiologische Korrelate schizophrener Erkrankungen diskutiert. / Imaging studies have demonstrated that for schizophrenic patients a correlation exists between positive symptoms and changes in the patterns of mesolimbic activity. Especially the changes in the ncl. accumbens (Nac) were interpreted in connection with the reward system. The signals indicating reward are thought to be processed by the anterior cingulum (ACC). These structures attribute meaning to the reward signals. In the anticipation phase of a potentially rewarding stimulus, dopaminergic signals from the VTA are generated in prediction of expected or aberrant outcome, thus modulating the Nac. Data indicate a direct modulation of the Nac. by glutamatergic neurons of the anterior cingulum. A major aim of this thesis is to establish a connection between the reward associated dopaminergic signals of the ncl. accumbens and the glutamatergic projections of the acc in unmedicated schizophrenic patients and healthy controls. The methods included measurements of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) and functional MRI-scans done at a 3-Tesla tomograph. The paradigm applied was a modified version of the monetary incentive delay paradigm (Knutson et al. 2000). In healthy volunteers we found a significant negative correlation between the glutamate concentration in the ACC and the BOLD-contrast in the Nac (reward versus neutral), in contrast to the findings in schizophrenic patients. A significant higher BOLD-contrast was seen in the anticipation phase in healthy controls. The results were incorporated in a model of NMDA-R-Hypoaktivity. In addition to discussing the functional aspects for the structures involved the model was further expanded to include the hypothesis of a disturbed balance between dopamine-D1- and -D2-receptor activity and a dysfunctional hippocampal gating-process. The so constructed model suggests a profound striato-thalamo-cortical filter disturbance as the basis of the observed aberrations in the reward processing in schizophrenic disorders.

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