Quantitative Beschreibung der MRT Signalauslöschung in-vitro durch Präparation von SPIOs in Phantomen und Markierung von Zellen

Zielsetzung: Das Anliegen der Studie war, klinische MR-Bildgebung hinsichtlich ihres Potentials zur Darstellung und Quantifizierung lokaler Zellpopulationen zu validieren und Grundlagen für ein in-vivo Monitoring geeigneter, markierter Zellen zu legen. Um in-vivo Verhältnisse zu simulieren, sollten neue Präparationstechniken entwickelt werden. Insbesondere der Zusammenhang zwischen Zellzahl, Areal der Zellansammlung und Ausdehnung der messbaren Feldstörung soll hier phänomenologisch erfasst und quantitativ beschrieben werden. Es sollten Rückschlüsse gezogen werden, inwieweit funktionelle Gesetzmäßigkeiten existieren und wie diese passend zu formulieren sind. Die messtechnisch begründeten Limitationen der exakten Größe und Lokalisation der Zellpopulation sollen mittels dieser Studie aufgezeigt werden.

Material und Methoden: SK-Mel28 Melanomzellen und hämatopoetische KG-1a Zellen wurden bei verschiedenen Resovist®-Konzentrationen im Kulturmedium (Inkubationszeit 48h) markiert. Der mittlere Eisengehalt pro Zelle wurde mit Atom-Absorptionsspektroskopie bestimmt. Als Trägersubstanz für verschiedene Verdünnungen super-paramagnetischer Kontrastmittel und Zellkulturen (SK-Mel28, KG-1a) wurde eine Agarmatrix verwendet. In diese wurden 750–15.000 ng Eisen bzw. 25.000–1.000.000 SK-Mel28 Zellen eingebracht. Die Eisenmenge wurde auf verschiedene Volumina von 4–20µl verteilt. Die Untersuchungen erfolgten an einem klinischen MR-Scanner der Feldstärke 3 Tesla (Magnetom Trio, Siemens). Als Sende- und Empfangsspule wurde eine Handgelenkspule verwendet. Eine 3D-Bildgebungssequenz (FLASH, TR 35 ms, Flipwinkel 20°) wurde mit isotropen Auflösungen von 0.25 bis 0.60mm verwendet. Die Echozeit wurde von 5 ms bis 25 ms variiert. Die Signalauslöschung wurde quantitativ beschrieben durch die Ausdehnung in Richtung des Magnetfeldes.

Ergebnisse: Sowohl die adhärenten SK-Mel28 als auch die KG-1a Zellen nahmen Resovist auf (Abb. 1). Zusätzlich lagerte sich Resovist in Klumpen von außen stabil an die Zellmembran an (Abb. 2). Die Ausdehnung der Signalauslöschung zeigte eine annähernd logarithmische Charakteristik (Abb. 3) in Abhängigkeit von der Magnetisierung (Eisen/Volumen): Sie stieg oberhalb eines Schwellenwertes zunächst stark an und flachte bei hohen Mengen an Resovist bzw. Zellmengen deutlich ab. In Abhängigkeit von der Eisenmenge m konnte diese am passendsten beschrieben werden durch D(m)=D₁₀log₁₀(m/m₀). Hierin bezeichnet m₀ die theoretische Nachweisgrenze bei D=0 und D₁₀ die Zunahme des Durchmessers der Ausdehnung bei Verzehnfachung der Eisenmenge. Beim direkten Einbringen von Resovist lag die theoretische Nachweisgrenze bei ungefähr 80 ng Fe/10µl. Die praktisch zu realisierende Nachweisgrenze war bei annähernd 800 ng Fe/10µl anzusetzen. Bei SK-Mel28 Zellen lag die theoretische Nachweisgrenze bei ca. 10.000 Zellen/10µl, praktisch konnten 25.000 Zellen/10µl noch erfasst werden. Die Ausdehnung der Signalauslöschung ist von der realisierten Auflösung und Echozeit abhängig. Mit größeren Volumenelementen und längerer Echozeit tendierte die Feldverzerrung zuzunehmen. Ein Maximum wurde bei TE 25 ms und 0.6mm isotroper Auflösung erreicht.

Diskussion: Die Detektion magnetisch markierter Zellen mit MRT ist möglich, die Quantifizierung ist aber kritisch zu beurteilen. Der Nachweis ist am sichersten über eine Signalauslöschung in einem zusammenhängenden Gebiet zu erbringen. Der Durchmesser der Signalauslöschung ist dabei eine logarithmische Funktion der Magnetisierung (Eisen/Volumen). Die Charakteristik ermöglicht eine Quantifizierung von Zellklustern und Beladung. Zum Nachweis kleiner Zellmengen ergibt sich ein Optimum bei TE 20 ms und 0.3mm isotroper Auflösung.

Die tatsächliche Detektionsschwelle war größer als der durch Regression ermittelte Wert. Die Nachweisgrenze der lokalen Eisenmenge der Zellkulturen ist höher als durch direktes Einbringen von Resovistlösung. Wir vermuten, dass die Zellen in-vitro nicht ideal homogen verteilt sind, was die relaxationsverstärkenden Eigenschaften auf makroskopischer Ebene reduziert. Der Nachweis einzelner Zellen scheint unrealistisch; klinische MRT wird darauf beschränkt sein, Ansammlungen von Zellen nachzuweisen.