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.

MR imaging - cell labeling - SPIO - stem cells

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