Magnetresonanz-Bildgebung von einzelnen SPIO-markierten mesenchymalen Stammzellen bei 3 Tesla

Zusammenfassung

Ziel: In-vitro-Untersuchung zum Nachweis einzelner, magnetisch markierter, mesenchymaler Stammzellen (MSC) mit einem klinischen 3-T-MR-Tomografen und einer Kleintiervolumenspule. Material und Methode: GFP-transfizierte MSC wurden mit superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln (SPIO) unter Verwendung verschiedener Eisenkonzentrationen (56 vs. 560 µg Fe/ml) magnetisch markiert. Der zelluläre Eisengehalt wurde mittels Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) bestimmt. Markierte MSC wurden in Zellkulturflaschen mit der MR-Bildgebung und mikroskopisch dargestellt. Unter Verwendung spezieller Zellphantome wurde der Nachweis markierter MSC in einem räumlichen Modell mit der MR-Bildgebung untersucht. Die Akquisition der Datensätze erfolgte mit einer hochauflösenden T2*-gewichteten 3D-Gradientenechosequenz bei isotropen, räumlichen Auflösungen von 150 bis 500 µm. Quantitative Auswertungen des Nachweises markierter MSC in den Zellphantomen erfolgte mittels automatischer Bildanalyse. Statistische Vergleiche wurden mit einem Signifikanzniveau von p < 0,05 durchgeführt. Ergebnisse: Die Markierung der MSC ergab einen durchschnittlichen, zellulären Eisengehalt von 1,5 ± 0,17 pg Fe/Zelle (56 µg Fe/ml) und 8,3 ± 1,85 pg Fe/Zelle (560 µg Fe/ml). Die Untersuchungen der Zellkulturflaschen zeigten einzelne, magnetisch markierte MSC im Zentrum von deutlich größeren MR-Signalauslöschungen. Der quantitative Nachweis der MSC in den Zellphantomen war für räumliche Auflösungen von 150 und 200 µm praktikabel. Bei geringem intrazellulären SPIO-Gehalt (1,5 ± 0,17 pg Fe/Zelle) wurden 14,2 ± 4,2 % (150 µm) und 7,7 ± 3,8 % (200 µm) der MSC identifiziert. MSC mit höherem SPIO-Gehalt (8,3 ± 1,85 pg Fe/Zelle) wurden in signifikant höherer Anzahl von 81,4 ± 5,8 % (150 µm) und 59,9 ± 12,4 % (200 µm) nachgewiesen. Hinsichtlich der räumlichen Auflösungen (150 vs. 200 µm) ergab sich lediglich für MSC mit einem höheren SPIO-Gehalt (8,3 ± 1,85 pg Fe/Zelle) ein signifikanter Unterschied in der Anzahl der nachgewiesenen Zellen. Schlussfolgerung: Der Nachweis einzelner, magnetisch markierter MSC ist mit einem klinischen 3-T-MRT-Gerät und einer Kleintiervolumenspule bei räumlichen Auflösungen von 150 µm und 200 µm möglich. Die Anzahl der dargestellten Zellen wird durch den intrazellulären SPIO-Gehalt und die räumliche Auflösung beeinflusst.

Abstract

Purpose: To assess the detectability of single magnetically labeled mesenchymal stem cells (MSC) in-vitro on a clinical 3T MR scanner using a small animal volume coil. Materials and Methods: GFP-transfected MSC were magnetically labeled with superparamagnetic iron oxide particles (SPIO) while applying different dosages of iron (56 vs. 560 µg Fe/ml). The cellular iron content was determined with atomic absorption spectrometry (AAS). Single labeled MSC were displayed in a culture flask using MR imaging and microscopy. Special cell phantoms were designed to examine the detection of labeled MSC with MR imaging in a spatial model. A T2*-weighted 3D gradient echo sequence with isotropic spatial resolution of 150 to 500 µm³ was used for image acquisition. The detection of labeled MSC in the cell phantoms was quantitatively evaluated using an automated image analysis. Statistical analysis was performed with a significance level of p < 0.05. Results: The labeling of MSC yielded a mean cellular iron content of 1.5 ± 0.17 pg Fe/cell (56 µg Fe/ml) and 8.3 ± 1.85 pg Fe/cell (560 µg Fe/ml). Examination of the culture flasks showed single magnetically labeled MSC centered in much larger MR signal voids. The detection and quantification of single MSC in cell phantoms were feasible for spatial resolutions of 150 µm and 200 µm. Cells with a lower SPIO content (1.5 ± 0.17 pg Fe/cell) were detected in 14.2 ± 4.2 % (150 µm) and 7.7 ± 3.8 % (200 µm). MSC with a higher cellular SPIO content (8.3 ± 1.85 pg Fe/cell) revealed significantly higher occurrences at both spatial resolutions with 81.4 ± 5.8 % (150 µm) and 59.9 ± 12.4 % (200 µm), respectively. Regarding the spatial resolution (150 vs. 200 µm), significantly different detection rates were determined only for MSC with the higher SPIO content (8.3 ± 1.85 pg Fe/cell). Conclusion: Detection of single magnetically labeled MSC is feasible on a clinical 3T MR scanner with a small animal volume coil at isotropic spatial resolutions of 150 µm and 200 µm. The number of detected cells is influenced by the cellular iron content and the spatial resolution.

Key words

MR imaging - cell labeling - SPIO - stem cells

Literatur

• 1 Saleh A, Wiedermann D, Schroeter M. et al . Central nervous system inflammatory response after cerebral infarction as detected by magnetic resonance imaging.  NMR Biomed. 2004;  17 163-169
• 2 Rausch M, Hiestand P, Baumann D. et al . MRI-based monitoring of inflammation and tissue damage in acute and chronic relapsing EAE.  Magn Reson Med. 2003;  50 309-314
• 3 Beckmann N, Cannet C, Fringeli-Tanner M. et al . Macrophage labeling by SPIO as an early marker of allograft chronic rejection in a rat model of kidney transplantation.  Magn Reson Med. 2003;  49 459-467
• 4 Kircher M F, Allport J R, Graves E E. et al . In vivo high resolution three-dimensional imaging of antigen-specific cytotoxic T-lymphocyte trafficking to tumors.  Cancer Res. 2003;  63 6838-6846
• 5 Tang Y, Shah K, Messerli S M. et al . In vivo tracking of neural progenitor cell migration to glioblastomas.  Hum Gene Ther. 2003;  14 1247-1254
• 6 Kraitchman D L, Heldman A W, Atalar E. et al . In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction.  Circulation. 2003;  107 2290-2293
• 7 Hoehn M, Kustermann E, Blunk J. et al . Monitoring of implanted stem cell migration in vivo: a highly resolved in vivo magnetic resonance imaging investigation of experimental stroke in rat.  Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;  99 16 267-16 272
• 8 Lange C, Togel F, Ittrich H. et al . Administered mesenchymal stem cells enhance recovery from ischemia/reperfusion-induced acute renal failure in rats.  Kidney Int. 2005;  68 1613-1617
• 9 Frank J A, Miller B R, Arbab A S. et al . Clinically applicable labeling of mammalian and stem cells by combining superparamagnetic iron oxides and transfection agents.  Radiology. 2003;  228 480-487
• 10 Daldrup-Link H E, Rudelius M, Oostendorp R A. et al . Targeting of hematopoietic progenitor cells with MR contrast agents.  Radiology. 2003;  228 760-767
• 11 Ittrich H, Lange C, Dahnke H. et al . Untersuchung zur Markierung von mesenchymalen Stammzellen mit unterschiedlichen superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln und Nachweisbarkeit in der MRT bei 3T.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1151-1163
• 12 Sun R, Dittrich J, Le-Huu M. et al . Physical and biological characterization of superparamagnetic iron oxide- and ultrasmall superparamagnetic iron oxide-labeled cells: a comparison.  Invest Radiol. 2005;  40 504-513
• 13 Grove J E, Bruscia E, Krause D S. Plasticity of bone marrow-derived stem cells.  Stem Cells. 2004;  22 487-500
• 14 Hauger O, Frost E E, Heeswijk van R. et al . MR evaluation of the glomerular homing of magnetically labeled mesenchymal stem cells in a rat model of nephropathy.  Radiology. 2006;  238 200-210
• 15 Kraitchman D L, Tatsumi M, Gilson W D. et al . Dynamic imaging of allogeneic mesenchymal stem cells trafficking to myocardial infarction.  Circulation. 2005;  112 1451-1461
• 16 Heyn C, Bowen C V, Rutt B K. et al . Detection threshold of single SPIO-labeled cells with FIESTA.  Magn Reson Med. 2005;  53 312-320
• 17 Dodd S J, Williams M, Suhan J P. et al . Detection of single mammalian cells by high-resolution magnetic resonance imaging.  Biophys J. 1999;  76 103-109
• 18 Foster-Gareau P, Heyn C, Alejski A. et al . Imaging single mammalian cells with a 1.5 T clinical MRI scanner.  Magn Reson Med. 2003;  49 968-971
• 19 Zhang Z, Bos E J, Wielopolski P A. et al . In vitro imaging of single living human umbilical vein endothelial cells with a clinical 3.0-T MRI scanner.  Magma. 2005;  18 175-185
• 20 Pinkernelle van den J, Teichgraber U, Neumann F. et al . Imaging of single human carcinoma cells in vitro using a clinical whole-body magnetic resonance scanner at 3.0 T.  Magn Reson Med. 2005;  53 1187-1192
• 21 Lange C, Bassler P, Lioznov M V. et al . Liver-specific gene expression in mesenchymal stem cells is induced by liver cells.  World J Gastroenterol. 2005;  11 4497-4504
• 22 Heyn C, Ronald J A, Mackenzie L T. et al . In vivo magnetic resonance imaging of single cells in mouse brain with optical validation.  Magn Reson Med. 2006;  55 23-29
• 23 Shapiro E M, Sharer K, Skrtic S. et al . In vivo detection of single cells by MRI.  Magn Reson Med. 2006;  55 242-249
• 24 Hill J M, Dick A J, Raman V K. et al . Serial cardiac magnetic resonance imaging of injected mesenchymal stem cells.  Circulation. 2003;  108 1009-1014
• 25 Anderson S A, Lee K K, Frank J A. Gadolinium-fullerenol as a paramagnetic contrast agent for cellular imaging.  Invest Radiol. 2006;  41 332-338