Entwicklung eines ex vivo Nierenperfusionsmodells für intermodale Angiographien und zur Darstellung von Gefäßen innerhalb eines Organs menschlicher Größe im Magnetic Particle Imaging

Abstract

Einleitung: Das MPI ist eine strahlenfreie Bildgebungsmethode, die aufgrund hoher zeitlicher Auflösung und dreidimensionaler Abbildung des Untersuchungsvolumens als vielversprechend für Angiographien und endovaskuläre Interventionen gilt. Bisher wurden jedoch noch keine Gefäße innerhalb eines Organs mittels MPI dargestellt. Dies liegt daran, dass die Ortsauflösung der vorhandenen, für Angiographien geeigneten, präklinischen MPIScanner für Kleintierorgangefäße zu gering ist und die Scanner zu klein für Tiere größeren Maßstabes oder Menschen sind. Zielsetzung: Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein multimodales, für die DSA, für die MRT und für das MPI kompatibles Perfusionssystem zur ex vivo Perfusion von Schweinenieren zu entwickeln, um mit den vorhandenen MPI-Scannern Angiographien innerhalb eines Organs menschlicher Größe durchzuführen. Die MPI-Angiographien sollte mit der MRA als etablierter ebenfalls dreidimensionaler angiographischer Bildgebungstechnik verglichen werden. Material und Methoden: Es wurde ein für alle Techniken kompatibles ex vivo Perfusionssystem für Schweinenieren entwickelt und anhand von zehn Nieren evaluiert. Neun weitere Nieren wurden mittels der beiden dreidimensionalen Bildgebungsmodalitäten MRA und MPI abgebildet. Zwei dieser Nieren wurden zusätzlich auch in der DSA dargestellt, um exemplarisch den Erhalt des Gefäßsystems unter der ex vivo Perfusion zu prüfen. Im MPI wurden zwei unterschiedliche Tracer evaluiert. Die Anzahl an sichtbaren Organgefäßen in der MR- im Vergleich zur MPI-Angiographie wurde von zwei Beobachtern bestimmt. Die zum MPI-Signal potenziell quantitative Eisenkonzentration der MPI-Tracer innerhalb des Verlaufs eines Organgefäßes wurde kalkuliert. Ergebnisse: Das entwickelte Modell erlaubte die stabile ex vivo Perfusion von Schweinenieren für bis zu drei Stunden. Mittels DSA konnte demonstriert werden, dass sich das Gefäßsystem unter der ex vivo Perfusion weitestgehend erhalten zeigte. Neben der DSA und der MRA gelang erstmals auch im MPI die Abbildung einzelner Organgefäße. Dabei bildete das MPI in etwa ein Drittel der in der MRA sichtbaren Gefäße ab. Es zeigte sich keine relevante Differenz in der Gefäßdarstellung zwischen beiden evaluierten MPI-Tracern. Die Quantifizierung der Eisendistribution im Organ sowie die Darstellung eines akzidentellen Gefäßverschlusses im MPI war prinzipiell möglich. Schlussfolgerung: Das vorgestellte ex vivo Organperfusionssystem erlaubt die Untersuchung von Schweinenieren als Beispiel für Organe humaner Größe im MPI trotz bestehender Restriktionen der für Angiographien geeigneten, verfügbaren MPI-Scanner. Dadurch kann das Potential des MPI für humane Angiographien evaluiert werden. Konkret sind unter anderem die Evaluation von MPI-Tracern, die prinzipielle Eisenquantifizierung der injizierten Tracer und die Darstellung von Gefäßverschlüssen innerhalb eines Organs im MPI möglich.

Introduction: MPI is a promising radiation-free imaging technique for angiography and endovascular interventions due to its ability to produce three-dimensional, high temporal resolution images. At this time, however, MPI is not being used to image the vasculature of specific organs. This is due to the fact that the only MPI scanners currently available are employed in the pre-clinical setting, in conjunction with small-animal models; the spatial resolution of such scanners is not yet sufficient for larger animal or human models. Purpose: To develop an ex vivo perfusion system compatible to the available MPI scanners, DSA, and MRA on a porcine kidney model, as an organ system similar in size to its human counterpart, and to compare the results of the MPI to MRA, as established three-dimensional angiographic imaging technique. Material and Method: A DSA, MRA and MPI compatible ex vivo perfusion system was developed for porcine kidneys and evaluated in ten kidneys. Following preliminary evaluation of the perfusion system, nine further kidneys were imaged with both MRA and MPI as threedimensional imaging methods. Two of these were also imaged with DSA, as high spatial resolution imaging method, to verify the presence of intact renal capillary systems during ex vivo perfusion. For MPI, two different tracers were evaluated. The number of visible organ vessels in MRA and MPI were determined by two observers and the two techniques were compared. As the MPI signal is potentially able to quantify the iron concentration of the injected MPI tracers, the iron concentration within an organ vessel was calculated. Results: The developed perfusion system allowed for the stable ex vivo perfusion of porcine kidneys for up to three hours. The overall intact capillary structure of the ex vivo-perfused kidneys was demonstrated by DSA. Imaging of organ vessels was not only feasible with DSA and MRA, but also with MPI. The comparison of both three-dimensional imaging techniques found that MPI was able to capture approximately one third of the organ vessels visualized by MRA. There was no relevant difference between the MPI tracers with regards to the number of displayed vessels. Quantification of iron distribution was also feasible. Furthermore, vascular occlusion, accidentally occurring in one organ, could depicted by MPI. Conclusion: An ex vivo organ perfusion system is presented that allows for the examination of porcine kidney vessel perfusion with the use of the currently available small-animal MPI scanners. Due to their similarity in size to human kidneys, the potential for MPI-based angiography in patients can thus be evaluated. This includes in particular the evaluation of MPI tracers, the quantification of organ iron concentration, as well as the imaging of vascularocclusions.