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Medizinisch-optische Bildgebung

Arbeitsgruppe 8.31

Rheuma-Bildgebung

Frühe Diagnose entzündlich rheumatischer Gelenkveränderungen mittels quantitativer NIR-Fluoreszenzbildgebung

Ziel

Entwicklung eines Fluoreszenz-gestützten Bildgebungsverfahrens zum frühen Nachweis rheumatischer Gelenkveränderungen. Ableitung von Messgrößen zur quantitativen Bewertung der Fluoreszenzintensität der Handgelenke und Entwicklung darauf beruhender Auswertealgorithmen zur Festlegung geeigneter Entscheidungsgrößen (Diskriminatoren).

Bedeutung rheumatischer Erkrankungen

Die rheumatoide Arthritis und Spondylarthropathien (Wirbel- und Gelenkerkrankungen) mit einer Prävalenz von ca. 2% sind in Deutschland die am meisten verbreiteten Erkrankungen. Derzeit sind etwa 1,3 Millionen Menschen von rheumatoider Arthritis betroffen und jährlich kommen 35.000 Erwachsene und 500 bis 900 Kinder und Jugendliche bis 16 Jahre hinzu. Volkswirtschaftlich sind nicht nur die weite Verbreitung und der durch die Krankheit bedingte Arbeitsausfall, sondern auch die hohen Kosten für Therapie und Rehabilitation zu berücksichtigen.

Eine frühzeitige Behandlung kann die Krankheit zum Stillstand bringen und somit Lebensqualität erhalten sowie Folgekosten vermindern. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Forderung nach effizienten, kostengünstigen und für den Patienten nicht belastenden Verfahren zur frühzeitigen Diagnose offensichtlich. Da die zur Therapie eingesetzten Medikamente zum Teil erhebliche Nebenwirkungen haben, ist es auch erforderlich den Erfolg einer Therapie frühzeitig feststellen zu können.

 

Metrologische Aufgabe

Bei den Fluoreszenzmessungen zur Rheumadiagnostik liegt die metrologische Aufgabenstellung einerseits in der Gewährleistung der Vergleichbarkeit der Messungen, sowohl zwischen verschiedenen Fingern als auch interindividuell zur einheitlichen Bewertung der rheumatoiden Arthritis. Die Vergleichbarkeit soll durch die Entwicklung und Untersuchung verschiedener Normierungsverfahren erzielt werden. In diesem Zusammenhang stellt die Quantifizierung der Fluoreszenzintensität durch den Bezug auf stabile fluoreszierende Streukörper oder LED-basierte Strahlungsquellen einen grundlegenden Aspekt zur Sicherstellung der Messgenauigkeit dar. Andererseits stellt die Identifizierung und Festlegung geeigneter dynamischer Messgrößen (z.B. zur Beschreibung der erfassten Kontrastmittelkinetik), die sich für eine objektive Diagnose oder sogar eine quantitative Verlaufskontrolle eignen, eine metrologische Herausforderung dar.

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Methodik zur Früherkennung

Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebung

Die Nahinfrarot-Bildgebung (NIR-Bildgebung) nutzt Licht des Spektralbereiches von λ = 650 nm bis 1000 nm zur Differenzierung von Gewebe aus. NIR- Licht wird durch körpereigene Farbstoffe weniger absorbiert und im Gewebe weniger gestreut als sichtbares Licht. Daher liegt die Eindringtiefe der NIR-Photonen - je nach Gewebeart - bei mehreren Zentimetern. Die hierzu eingesetzten Bestrahlungsdichten sind für den menschlichen Organismus unbedenklich, eignen sich dadurch für eine nichtinvasive Diagnostik und lassen sich potentiell für Screeningverfahren einsetzen. Da die intrinsischen optischen Parameter wie Absorption und Streuung oft keine ausreichende Differenzierung zwischen erkranktem und gesundem Gewebe gestatten, werden zweckmäßigerweise fluoreszierende Kontrastmittel eingesetzt. Bisher gibt es kein etabliertes Verfahren, das die NIR-Fluoreszenzbildgebung zur Früherkennung von rheumatoider Arthritis einsetzt, so dass das Potential dieses Verfahrens untersucht werden soll.


Nahinfrarot-Kontrastmittel

Als optische Kontrastverstärker sind insbesondere Cyaninfarbstoffe aus der Klasse der Indotricarbocyanine mit einer Absorption und Fluoreszenzemission im Spektralbereich von 750 nm bis 850 nm geeignet. Indocyaningrün (ICG) wurde bereits 1977 für die Herz-Kreislauf-Diagnostik in der Klinik verwendet. Durch die Synthese von Derivaten mit modifizierbaren funktionellen Gruppen, insbesondere Carboxylgruppen, wird der Zugang zu sogenannten NIR-Diagnostika geschaffen, bei denen sowohl Molekulargewicht als auch der Grad an Hydrophilie systematisch variiert werden kann.


Aufgabe

Im aktuellen Projekt wird basierend auf dem erfolgreichen Abschluss zweier von der IBB und mit EFRE-Mitteln geförderten Projekten zur Diagnostik der rheumatoiden Arthritis ein Bildgebungsverfahren entwickelt, das bereits in orientierenden klinischen Studien eingesetzt wird. Dabei werden die Gelenke von zwei Händen gleichzeitig optisch angeregt und die nach der Verabreichung eines Kontrastmittelbolus emittierte Fluoreszenz mittels einer Electron Multiplying (EM)CCD-Kamera anhand einer schnellen Bildserie zweidimensional abgebildet. Die Aufnahme kurz aufeinanderfolgender Bilder ermöglicht die Erfassung des Anflutens und Auswaschens (Kinetik) der eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffe in den entzündlich veränderten Arealen. Um den Einfluss des Herzschlags berücksichtigen oder ausschließen zu können, werden 4 Bilder/s erfasst. Zwei unterschiedliche Ansätze zur Realisierung der Fluoreszenzbildgebung wurden untersucht:

  1. Flächenhafte Anregung der Fluoreszenz mit einem aufgeweiteten Laserstrahl oder einem LED-Array und Erfassung der emittierten Fluoreszenz mit einer empfindlichen EMCCD-Kamera.
  2. Punktweise Anregung mit einem kollimierten cw-Laserstrahl und Detektion der Fluoreszenz mit einer Avalanche Photodiode (APD), wobei das Bild durch Abrastern der Hand mit dem Laserstrahl erzeugt wird.

Für beide Mess- und Bildgebungsverfahren wurden Funktionsmuster aufgebaut und Nachweisempfindlichkeit, Detektorlinearität, Dynamik und Auflösungsvermögen sowie die Homogenität der Ausleuchtung verglichen.

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Bisherige Ergebnisse

Ausgangspunkt zur Etablierung dieser neuen Methode waren Versuche am Tiermodell. Hierbei wurde Mäusen mit Lyme-Arthritis der Farbstoff ICG intravenös verabreicht und die Farbstoffanreicherung zu verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Trägt man die Fluoreszenzintensität in den entzündeten Sprunggelenken über der Zeit auf, so erhält man charakteristische Kurven anhand derer gesunde und erkrankte Tiere unterschieden werden können . Details sind in Fischer et al. 2006 zu finden.

In einer klinischen Studie stellten die entwickelten Bildgebungssysteme ihr Potential eindrucksvoll unter Beweis. Zum Einsatz kamen die oben beschriebenen Systeme, ein laserbasiertes Flying-Spot-System (Scanner) und ein LED-Array-EMCCD-System (Imager). Mit diesen Bildgebungssystemen konnte der Nachweis erbracht werden, dass die IR-Fluoreszenz eines unspezifischen Farbstoffes benutzt werden kann, um entzündlich-rheumatische Veränderungen an Fingergelenken zu detektieren (Abb 1).

 

Abbildung 1: Fluoreszenzbildaufnahmen der Hände nach i.v. ICG- Injektion  
oben: 2Hand-Imager Gesund (links) Patientin mit rheumatoider Arthritis (Mitte) Patientin mit Arthrose im Daumengrundgelenk (rechts)
unten: 1Hand-Scanner Gesund (links) Patientin mit rheumatoider Arthritis (Mitte) Patientin mit Arthrose in Fingerendgelenken (rechts)

Erste Resultate der numerischen Auswertung der Daten sind sehr viel versprechend. Über die signifikante Unterscheidung zwischen unauffälligen und rheumatisch-entzündlich veränderten Gelenken hinaus gibt es Hinweise dafür, dass mit dem Scanner eine höhere Trennschärfe als mit der Kamera erzielt werden kann.

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Veröffentlichungen

Wunder A, Ebert B,
Rheumatology: Noninvasive Fluorescence Imaging in Rheumatoid Arthritis-Animal studies and Clinical Applications
in: Handbook of Biophotonics Vol. 2, 545-60; ed. By J. Popp, V. Tuchin, A. Chiou, and St. Heinemann, WILEY-VCH, Weinheim, Germany (2012).

Gemeinhardt I, Puls D, Gemeinhardt O, Taupitz M, Wagner S, Schnorr B, Licha K, Schirner M, Ebert B, Petzelt D, Macdonald R, Schnorr J,
Near-infrared fluorescence imaging of experimentally collagen-induced arthritis in rats using the nonspecific dye tetrasulfocyanine in comparison with gadolinium-based contrast-enhanced magnetic resonance imaging, histology, and clinical score
J. Biomed. Opt. 17 (10), 106008 (2012) [doi: 10.1117/1.JBO.17.10.106008].

Ebert B, Riefke B, Sukowski U, Licha K,
Cyanine dyes as contrast agents for near-infrared imaging in vivo: acute tolerance, pharmacokinetics, and fluorescence imaging
J. Biomed. Opt. 16(6),066003 (2011) [doi: 10.1117/1.358567]

Licha K, Welker P, Weinhart M, Wegner N, Kern S, Reichert S, Gemeinhardt I, Weissbach C, Ebert B, Haag R, Schirner M (2011),
Fluorescence imaging with multifunctional polyglycerol sulfates: novel polymeric near-IR probes targeting inflammation.
Bioconjug. Chem. 22(12), 2453-2460 (2011) [doi: 10.1021/bc200272].

Dziekan T, Weissbach C, Voigt J, Ebert B, Macdonald R, Bahner ML, Mahler M, Schirner M, Berliner M, Berliner B, Osel J, Osel I,
Detection of rheumatoid arthritis by evaluation of normalized variances of fluorescence time correlation functions
J. Biomed. Opt. 16(7), 076015 (2011) [doi: 10.1117/1.359995].

Fischer T, Ebert B, Voigt J, Macdonald R, Schneider U, Thomas, A, Hamm, B, Hermann, K-G A,
Detection of Rheumatoid Arthritis Using Non-specific Contrast Enhanced Fluorescence Imaging

Acad. Radiol. 17, 375-381 (2010) [doi: 10.1016/j.acra.2009.09.016].

Vollmer S, Vater A, Licha K, Gemeinhardt I, Gemeinhardt O, Voigt J, Ebert B, Schnorr J, Taupitz M, Macdonald R, Schirner M,
ED-B Fibronectin as Target for Near Infrared Fluorescence Imaging of Rheumatoid Arthritis Affected Joints in vivo
Molecular Imaging, 8, 330-340 (2009) [doi: 10.2310/7290.2009.00030].

Fischer T, Gemeinhardt I, Wagner S, v. Stieglitz D, Schnorr J, Hermann K-G A, Ebert B, Petzelt D, Macdonald R, Licha K, Schirner M, Krenn V, Kamradt T, Taupitz M,
Assessment of Unspecific Near-Infrared Dyes in Laser-Induced Fluorescence Imaging of Experimental Arthritis
Acad. Radiol. 13, 4-13 (2006) [doi: 10.1016/j.acra.2005.07.010]

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