Universität zu Köln

Böhm-Sturm, Philipp (2013). Magnetic Resonance Imaging Studies of Angiogenesis and Stem Cell Implantations in Rodent Models of Cerebral Lesions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Molecular biology and stem cell research have had an immense impact on our understanding of neurological diseases, for which little or no therapeutic options exist today. Manipulation of the underlying disease-specific molecular and cellular events promises more efficient therapy. Angiogenesis, i.e. the regrowth of new vessels from an existing vascular network, has been identified as a key contributor for the progression of tumor and, more recently, for regeneration after stroke. Donation of stem cells has proved beneficial to treat cerebral lesions. However, before angiogenesis-targeted and stem cell therapies can safely be used in patients, underlying biological processes need to be better understood in animal models. Noninvasive imaging is essential in order to follow biological processes or stem cell fate in both space and time. We optimized steady state contrast enhanced magnetic resonance imaging (SSCE MRI) to monitor vascular changes in rodent models of tumor and stroke. A modification of mathematical modeling of MR signal from the vascular network allowed for the first time simultaneous measurements of relaxation time T2 and SSCE MRI derived blood volume, vessel size, and vessel density. Limitations of SSCE MRI in tissues with high blood volume and non-cylindrically shaped vessels were explored. SSCE MRI detected angiogenesis and response to anti-angiogenic treatment in two rodent tumor models. In both tumor models, reduction of blood volume in small vessels and a shift towards larger vessels was observed upon treatment. After stroke, decreased vessel density and increased vessel size was found, which was most pronounced one week after the infarct. This is in agreement with two initial, recently published clinical studies. Overall, very little signs of angiogenesis were found. Furthermore, superparamagnetic iron oxide (SPIO) labels were used to study neural stem cells (NSCs) in vivo with MRI. SPIO labeling revealed a decrease in volume of intracerebral grafts over 4 months, assessed by T2* weighted MRI. Since SPIO labels are challenging to quantify and their MR contrast can easily be confounded, we explored the potential of in vivo 19F MRI of 19F labeled NSCs. Hardware was developed for in vitro and in vivo 19F MRI. NSCs were labeled with little effect on cell function and in vivo detection limits were determined at ~10,000 cells within 1 h imaging time. A correction for the inhomogeneous magnetic field profile of surface coils was validated in vitro and applied for both sensitive and quantitative in vivo cell imaging. As external MRI labels do not provide information on NSC function we combined 19F MRI with bioluminescence imaging (BLI). The BLI signal allowed quantification of viable cells whereas 19F MRI provided graft location and density in 3D over 4 weeks both in the healthy and stroke brain. A massive decrease in number of viable cells was detected independent of the microenvironment. This indicates that functional recovery reported in many studies of NSC implantation after stroke, is rather due to release of factors by NSCs than direct tissue replacement. In light of these indirect effects, combination of the imaging methods developed in this dissertation with other functional and structural imaging methods is suggested in order to further elucidate interactions of NSCs with the vasculature.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Molekularbiologie und Stammzellforschung haben unser Verständnis von neurologischen Erkrankungen, für die es momentan kaum Therapien gibt, immens verändert. Die Manipulation von erkrankungsspezifischen molekularen und zellulären Ereignissen stellt eine große Hoffnung für die effizientere Behandlung dar. Angiogenese, d.h. vaskuläres Neuwachstum ausgehend von existierenden Gefäßen, wurde als ein wichtiger Beitrag zum Tumorwachstum und zur Regeneration nach Schlaganfall erkannt. Stammzelltransplantationen haben sich als förderlich für die Behandlung zerebraler Läsionen erwiesen. Um angiogenese- oder stammzellbasierte Therapien sicher in Patienten benutzen zu können, müssen jedoch die zu Grunde liegenden biologischen Prozesse in Tiermodellen besser verstanden werden. Dabei spielt die nicht-invasive Bildgebung eine entscheidende Rolle, um diese Prozesse bzw. die Zellen sowohl räumlich als auch zeitlich zu verfolgen. Wir haben eine Magnet-Resonanz-Tomografie-Methode (SSCE-MRT) optimiert, um Änderungen der Gefäßstruktur in Maus- und Rattenmodellen des Tumors und des Schlaganfalls zu untersuchen. Das zu Grunde liegende mathematische Modell wurde erweitert, um erstmals die Relaxationszeit T2, Blutvolumen, mittlere Gefäßdichte und Gefäßgröße simultan messen zu können. Die Grenzen des Modells in Gewebe mit hohem Blutvolumen und nicht-zylindrischen Gefäßen wurden erörtert. Angiogenese wurde in zwei unterschiedlichen Tumormodellen mit Hilfe der SSCE-MRT detektiert und die Wirkung anti-angiogenetischer Therapie untersucht. In beiden Tumormodellen induzierte die Therapie die Abnahme kleinerer Gefäße und Zunahme der Gefäßgröße. Nach Schlaganfall wurde eine Abnahme der Gefäßdichte und Zunahme der Gefäßgröße gefunden, die am stärksten eine Woche nach dem Infarkt ausgeprägt war. Diese Ergebnisse stimmen mit zwei erst kürzlich veröffentlichten ersten klinischen Studien überein. Insgesamt wurden nur geringe Anzeichen von Angiogenese nach Schlaganfall beobachtet. Darüber hinaus wurden Zellmarker basierend auf superparamagnetischen Eisenoxiden benutzt, um neurale Stammzellen (NSZ) in vivo mit MRT zu verfolgen. T2*-gewichtete MRT zeigte, dass das Volumen von intrazerebralen Eisenoxid-markierten NSZ-Transplantaten über 4 Monate abnahm. Da Zellmarker aus Eisenoxid kaum die Quantifizierung von NSZ zulassen und der Kontrast leicht verwechselt werden kann, wurde das Potenzial von fluorierten Zellmarkern, die mit 19F-MRT detektiert werden können, untersucht. Hierzu wurde ein Aufbau für in vitro und in vivo 19F-MRT entwickelt. NSZ konnten mit geringen Einschränkungen der Zellfunktion effizient mit einer 19F-Verbindung markiert werden. In vivo wurde ein Detektionslimit von ca. 10.000 Zellen innerhalb 1 Std. Messzeit ermittelt. Eine Korrektur für das inhomogene Magnetfeld von Oberflächenspulen wurde in vitro validiert. Die Korrektur erlaubte es, NSZ sensitiv und quantitativ in vivo darstellen zu können. Da MRT-Zellmarker kaum Information über die Zellfunktion bereitstellen, wurde die 19F-MRT mit Biolumineszenzbildgebung kombiniert. Diese diente der Quantifizierung der Zellvitalität. Die 19F-MRT ermöglichte hingegen die Messung der Lage und der Zelldichte des Transplantats in 3D über einen Zeitraum von 4 Wochen – sowohl im gesunden als auch im Schlaganfallhirn. Ein massiver Rückgang der Zellvitalität wurde beobachtet unabhängig davon, in welche Umgebung die Zellen implantiert wurden. Dies ist ein Anhaltspunkt dafür, dass die funktionelle Erholung, die für Stammzellimplantation nach Schlaganfall gezeigt wurde, eher darauf zurückzuführen ist, dass die Zellen stimulierende Faktoren ins umliegende Gewebe absondern. Vor dem Hintergrund dieser indirekten Mechanismen wird vorgeschlagen, die Bildgebungsmethoden, die für diese Doktorarbeit entwickelt wurden, mit anderen funktionellen und strukturellen Bildgebungsverfahren zu kombinieren, um speziell Interaktionen von NSZ und Gefäßbett zu untersuchen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Böhm-Sturm, Philipp philipp.boehm-sturm@charite.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-52377
Date:	22 July 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Angiogenesis; Neural Stem Cells; MRI; SSCE MRI; 19F MRI; Cell Tracking; Rodents English
Date of oral exam:	15 January 2013
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5237