Labor für Präklinische Bildgebung der Werner Siemens-Stiftung Medizinische Fakultät, Eberhard Karls Universität Tübingen

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1 PROFESSOR DR. BERND PICHLER Labor für Präklinische Bildgebung der Werner Siemens-Stiftung Medizinische Fakultät, Eberhard Karls Universität Tübingen Das Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens-Stiftung und die dazugehörige Stiftungsprofessur an der Eberhard Karls Universität wird seit 2007 von der Werner Siemens-Stiftung gefördert. Ziel des Labors ist es, die Lücke zwischen der konventionellen biomedizinischen Grundlagenforschung und den Methoden der modernen nicht-invasiven Bildgebung zu schliessen. Diese Herausforderung wird durch die Entwicklung innovativer Bildgebungstechnologien und -methoden für die medizinische Grundlagenforschung sowie für die translationale Forschung und klinische Diagnose erreicht. Die Methoden der modernen nicht-invasiven Bildgebung gehen weit über die bekannten konventionellen Verfahren wie die planare Röntgentechnologie oder die Computertomographie hinaus. Modernste Entwicklungen wie die Magnetresonanztomographie (MRT) und ihre Anwendungen für die Darstellung von funktionellen Vorgängen im lebenden Organismus, wie Blutfluss, Blutoxygenierung oder die Beweglichkeit von Wassermolekülen in Krebszellen, erlauben beispielsweise die detaillierte Untersuchung von Tumoren oder dem Gehirn. Möglichkeiten der molekularen Bildgebung, wie sie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) liefert, erlauben den Nachweis spezifischer schwach radioaktiv markierter Biomarker im lebenden Organismus. Diese Biomarker (oder auch Tracer genannt) haben die Eigenschaft, ganz spezifisch an bestimmte Zielstrukturen wie Tumorzellen oder krankhaft veränderte Gewebezellen zu binden. Ferner ist es möglich, Tracer zu entwickeln und einzusetzen, die in Stoffwechselvorgänge eingeschleust werden können, ohne diese zu verändern, jedoch zugleich wichtige Informationen über mögliche krankhafte Veränderungen des Energieverbrauchs von Zellen zu liefern. Somit können Tumore im sehr frühen Stadium hochsensitiv nachgewiesen werden, neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson erkannt oder gefährliche Ablagerungen wie Plaques in Herzkranzgefässen quantifiziert werden. Die entsprechenden Bildgebungsgeräte gibt es sowohl dediziert für die Untersuchung von kleinen Laborversuchstieren wie Mäusen und Ratten, als auch zur Untersuchung von Patienten. Die Möglichkeit, die gleiche Technologie in der biomedizinischen Grundlagenforschung und klinischen Patientenversorgung einzusetzen, ist ein wesentlicher Bestandteil der translationalen Forschung und der effektiven Entwicklung neuer Therapieansätze im Bereich der Onkologie, Neurologie, Immunologie oder Kardiologie. Die pharmazeutische Industrie setzt die entspre-

2 chenden Methoden vermehrt ein, um Medikamente schnell auf ihre Wirksamkeit und therapeutische Effizienz zu testen und somit für den Patienten zur Verfügung zu stellen. Das Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens-Stiftung ist integraler Bestandteil der Abteilung für Präklinische Bildgebung und Radiopharmazie, der Professor Dr. Bernd Pichler, Inhaber der Werner Siemens-Stiftungsprofessur, vorsteht. Die Abteilung für Präklinische Bildgebung und Radiopharmazie ist wiederum eine von fünf Abteilungen des Departments für Radiologie (Geschäftsführender Direktor Prof. Dr. Claus Claussen) der Medizinischen Fakultät und des Uni versi - täts klinikums der Eberhard Karls Universität Tübingen. Die Zusammenführung des Labors für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens-Stiftung und der Radio phar - mazie im Jahr 2008 und die Überführung der beiden Forschungssektionen in eine Abteilung war ein wesentlicher Motor für die Erforschung neuer Strategien im Bereich der molekularen Bildgebung. Beide Bereiche können Synergien für die Entwicklung neuer Biomarker und Tracer sowie neuer Bild ge bungs - methoden nutzen und diese gewinnbringend für die präklinische und biomedizinische Grundlagenforschung einsetzen. Dabei ist weiterhin oberstes Ziel der Abteilung, die erzielten Forschungsergebnisse sowie die pharmazeutischen und technischen Entwicklungen innerhalb kürzester Zeit für den Patienten zur Verfügung zu stellen. Die Abteilung für Präklinische Bildgebung und Radiopharmazie besteht derzeit aus über 50 hochmotivierten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, wobei auf die Gruppe der Präklinischen Bildgebung und Bildgebungstechnologie etwa 36 Mitarbeiter entfallen und auf die Radiopharmazieproduktion und radiopharmazeutische sowie Biomarker-Forschung etwa 14 Mitarbeiter. Die Abteilung verfolgt die Strategie einer klaren Strukturierung, mit einer mittleren Führungsebene von promovierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die als kompetente Ansprechpartner für die Doktorandinnen und Doktoranden unmittelbar zur Verfügung stehen. Ferner ist es dem Direktor der Abteilung, Professor Pichler, äusserst wichtig, den engen Kontakt mit den Doktorandinnen und Doktoranden zu halten und regelmässige Forschungstreffen in mehreren Kleingruppen sowie Einzelgesprächen durchzuführen. Da Professor Pichler in seinem Auftrag als Hochschullehrer einen wesentlichen Bestandteil in der Doktorandenausbildung sieht, hat erfreulicherweise die Werner Siemens-Stiftung 2008 ein Graduiertenkolleg für zunächst drei Jahre genehmigt und noch im selben Jahr installiert. Die junge, dynamische Forschungsgruppe des Labors für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens- Stiftung besteht derzeit aus 23 Doktorandinnen und Doktoranden, 5 promovierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie 9 technischen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 3 Verwaltungsmitarbeiterinnen. Die derzeitige Grösse der Abteilung erlaubt die Abdeckung aller wichtigen Teilbereiche der medizinischen Forschung, nämlich Neurologie, Onkologie, Kardiologie, Infektiologie, Immunologie und Radiopharmazie. Darüber hinaus ist ein wesentlicher Bestandteil des Forschungsspektrums des Labors die Detektorentwicklung und die Anwendung von ingenieurswissen-

3 schaftlichen Methoden zur Lösung von Fragen der biomedizinischen Grundlagenforschung, beispielsweise der pharmakokinetischen Modellierung unter Zuhilfenahme von komplexen Differentialgleichungen, also der Beschreibung von biologischen Prozessen mit mathematischen Ansätzen. Ebenso konnten mit den modernen ingenieurswissenschaftlichen Lösungsansätzen der Gruppe medizintechnische Geräte zur nicht-invasiven Darstellung des lebenden Organismus auf höchstem Niveau entwickelt werden. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei, modernste technologische Komponenten einzusetzen, deren Einsatz zu optimieren und dabei Rahmenbedingungen für die spätere Anwendung in der medizinischen Grundlagenforschung oder klinischen Diagnostik nicht ausser Acht zu lassen. Eine enge Kooperation zwischen dem Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens- Stiftung und den Instituten und Kliniken des Universitätsklinikums der Eberhard Karls Universität Tübingen ist Voraussetzung für eine schnelle Überführung von biomedizinischer Grundlagenforschung in die klinische Anwendung am Patienten. Das Labor erfüllt somit den obersten Grundsatz von der Maus zum Patienten und von der Laborbank zum Patientenbett. Die Publikationsleistung der Abteilung konnte in den letzten Jahren kontinuierlich gesteigert werden. Die Abbildung macht deutlich, dass die Anzahl an publizierten Manuskripten in internationalen, zum Teil hochrangigen Journalen wie Nature Medicine, Cancer Cell oder Trends in Molecular Medicine stetig angestiegen ist. Ferner ist die positive Entwicklung der Drittmitteleinwerbungen durch deutsche oder europäische Förderinstrumente sehr erfreulich. Seit 2007 konnte die Höhe der eingeworbenen Drittmittel kontinuierlich gesteigert werden. Euros (tausend) Drittmittel (Status Dezember 2011) Eingeworbene Drittmittel des Labors für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie seit Die Drittmittel konnten über die Jahre stets gesteigert werden. Das Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens-Stiftung arbeitet in enger Kooperation mit renommierten nationalen und internationalen Hochschulen und Veröffentlichungen 30 Anzahl in Revision / Eingereicht Veröffentlicht / angenommen Anzahl der Veröffentlichungen des Labors für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie seit der Gründung Die Stiftung unterstützt grosszügig das Labor seit

4 Forschungsinstituten zusammen. Enge Partnerschaften bestehen beispielsweise mit mehreren Max-Planck-Instituten innerhalb Deutschlands, deutschen Universitäten wie Münster, München, Freiburg, Mannheim, Heidelberg, aber auch internationalen Universitäten wie der University of California, USA, der Universität Innsbruck, Österreich, dem Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz, der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, Schweiz, der University of British Columbia, Kanada, oder der University of Queensland, Brisbane, und dem Peter MacCallum Cancer Centre, Melbourne (beide Australien). Neben akademischen Partnern arbeitet unser Labor mit international renommierten Firmen wie Siemens, Bruker, Merck, Boehringer-Ingelheim, AstraZeneca, Novartis oder Bayer Healthcare eng zusammen. Das Labor ist mit modernsten Bildgebungsgeräten, nämlich zwei Inveon Kleintier-PET, 7 T MRT, Optische Bildgebung, Inveon SPECT/ CT, microct sowie einem modernen molekularbiologischen Labor und einem Tier-OP ausgestattet. Modern ausgestatteter Tier-OP für mikrochirurgische Eingriffe am Kleintier Ein umfangreiches Detektorlabor erlaubt uns die Entwicklung innovativer Bildgebungskomponenten und Elektronikplatinen. Blick in das Kleintier-Bildgebungslabor mit den beiden Inveon micropet-scannern im Vordergrund. Es werden an die Hygiene hohe Standards gesetzt, um ungewollte Infektionskrankheiten bei den Tieren, die die Messergebnisse beeinflussen könnten, zu vermeiden. Elektronikplatine zum Test eines neuen Magnetfeld-kompatiblen PET-Detektors.

5 Zusammen mit der Radiopharmazie, die neben mehreren good manufacturing practice (GMP)-konformen Syntheseheisszellen ein 16 MeV-Zyklotron bereit hält, bietet das Labor ideale Voraussetzungen zur Ausbildung von Doktorandinnen und Doktoranden. Die interdisziplinäre Ausrichtung und die hervorragende Ausstattung der Abteilung erlaubt die Forschung in unterschiedlichsten Bereichen der Medizin und Biologie unter optimaler Nutzung synergetischer Effekte durch eine enge Zusammenarbeit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus unterschiedlichen Disziplinen wie Medizin, Biologie, Elektrotechnik, Physik, Mathematik, Informatik oder Biochemie. Gerade diese interdisziplinäre Ausrichtung der Abteilung eröffnet ein spannendes Arbeitsumfeld für junge Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler und spiegelt damit die Situation des Wissenschaftlers Werner von Siemens wider. Im Folgenden soll eine Auswahl an Projekten des Labors für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens-Stiftung im Einzelnen beschrieben werden, um einen Überblick über das Forschungsfeld der molekularen Bildgebung von der Entwicklung moderner Bildgebungsgeräte bis hin zu biologischen Projekten in der Onkologie, Immunologie, Kardiologie und Neurologie zu schaffen. An dieser Stelle möchten die Autoren darauf hinweisen, dass Tierversuche für die medizinische Forschung unerlässlich und für die Zulassung von Medikamenten laut Gesetz vorgeschrieben sind. In unserer Abteilung sind alle durchgeführten Massnahmen durch die zuständigen Behörden und Ethikkommissionen genehmigt. Wichtig ist vor allem, dass die nicht-invasive Kleintierbildgebung eine Alternative zum konventionellen Tierversuch darstellt und Möglichkeiten bietet, die Tieranzahl und Belastung der Tiere drastisch zu reduzieren. Nicht zuletzt aus diesem Grund wurde dem Labor vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ein Forschungsantrag zum 3R-Konzept genehmigt. Entwicklung innovativer Bildgebungstechnologien Die Kombination von PET und MRT bietet sowohl für die klinische als auch präklinische Forschung und Diagnostik enorme Potenziale. Sie erlaubt es, die hohe Nachweisempfindlichkeit von PET für molekulare Prozesse mit den anatomischen und funktionellen Bildgebungseigenschaften von der MRT zu vereinen. Vor allem die simultane Akquisition von PET- und MRT-Daten bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Um ein solches System zu realisieren, waren jedoch viele Probleme zu lösen, um ungewollte Interaktionen zwischen den beiden Modalitäten zu verhindern. Insbesondere musste ein neuer PET-Detektortyp entwickelt werden, der klein genug ist, um in ein MRT- System eingebaut werden zu können, und nicht vom starken Magnetfeld beeinträchtigt wird. Dazu mussten anstelle der üblicherweise verwendeten Photomultiplier- Röhren halbleiter-basierte Avalanche Photodioden (APDs) für die Szintillationslicht-Detektion verwendet werden. Nachdem 2006 das erste MR-kompatible PET-Insert für die Kleintierbildgebung in unserer Gruppe entwickelt wurde, folgte in Kooperation mit Siemens der erste klinische PET-Scanner für dedizierte PET/ MRT-Untersuchungen des Kopfes, der 2008 als weltweit erstes klinisches PET/MRT in Tübingen aufgebaut wurde (BrainPET). Die Forschungsergebnisse aus diesem System ermöglichten Siemens die Entwicklung eines Ganzkörper- PET/MRT-Systems, welches im Jahr 2011 in Tübingen installiert wurde (Biograph mmr). Dieser erfolgreiche Transfer von der präklinischen Forschung in die Klinik

6 in enger Kooperation mit Firmen ist auch das Ziel aktueller und künftiger Projekte in unserem Labor. Ein neues PET-Insert für die kombinierte Kleintier- PET/MRT-Bildgebung Ziel unserer Anstrengungen ist es, basierend auf den Vorarbeiten unseres ersten Kleintier-PET/MRT, ein neuartiges PET-Insert zu konstruieren, das keinerlei Einschränkungen in seiner Leistungsfähigkeit im Vergleich mit Einzelsystemen für PET oder MRT unterworfen ist. Um das PET-Insert in einem 7 Tesla Kleintier-MRT zu betreiben, mussten auch hier APDs verwendet werden. Dadurch war eine kompakte, aber auch leistungsfähige Bauweise des aus 16 Detektorkassetten bestehenden PET-Inserts möglich. Alle elektronischen und mechanischen Komponenten wurden in unserer Gruppe entwickelt, gebaut und überprüft. Das für die simultane Bildgebung mit PET/MRT nutzbare Gesichtsfeld des neuen PET-Inserts beträgt 72 mm in axialer Richtung, sowie 72 mm in transaxialer Richtung, und erlaubt damit Ganzkörper-Studien an Mäusen als auch an Ratten. Die Firma Bruker, Ettlingen, Deutschland, hat unsere Entwicklung lizensiert und wird sie künftig in Kooperation mit Siemens Preclinical Solutions als weltweit erstes kommerzielles voll-integriertes Kleintier- PET-MRT vertreiben. Um das neue MR-kompatible PET-Insert für die Kleintierbildgebung verwenden a) Das neue Kleintier-PET-Insert besteht aus 16 ringförmig angeordneten Detektorkassetten. b) In jeder Kassette befinden sich drei APDs, die über eine Hauptplatine ausgelesen werden. Die gesamte Elektronik wurde so ausgelegt, dass sie keinerlei Störungen in der empfindlichen MR-Messung hervorruft. c) Die APDs sind wiederum mit einem Kristallblock für den Nachweis von Gamma-Quanten verbunden. Im Szintillationskristall werden die radioaktiven Strahlen (Gammastrahlung) in schwache Lichtblitze umgewandelt, die wiederum von der APD in elektrische Signale umgesetzt werden. d) Ein abgeschirmtes Gehäuse ermöglicht den Einbau des selbst entwickelten Kleintier- PET in ein 7 T MRT. e) Das kombinierte PET/MRT Gesichtsfeld beträgt 72 mm in transaxialer Richtung und ermöglicht die Verwendung von Lokalspulen für eine hochqualitative PET/MRT-Bildgebung. Die Firma Bruker, Ettlingen, Deutschland, in Kooperation mit Siemens vertreibt dieses vom Labor für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie der Werner Siemens-Stiftung entwickelte MRT-kompatible Kleintier-PET weltweit. Es ist das erste kommerziell erhältliche vollintegrierte Kleintier-PET/MRT.

7 zu können, ist eine Software notwendig, die benutzerfreundlich und schnell ist, sowie verlässliche und quantitative Bilder liefert. Ein weiteres Ziel dieses Projektes ist daher die Erstellung einer dedizierten Bildrekonstruktionsplattform, die ein graphisches User-Interface (GUI) und Parallel-Computing mit Multithread-Technik beinhaltet und alle notwendigen Korrekturen von PET-Daten durchführen kann. Dazu müssen die Eigenschaften des PET-Detektors gemessen und in die Re - kon struktionsalgorithmen, in das Norma lisierungsverfahren sowie in die Schwächungs- und Streukorrekturen der PET-Daten einbezogen werden. So sollen verschiedene Korrekturmethoden miteinander verglichen und optimiert werden, um exakte PET-Daten zu realisieren. Ausserdem sollen weitere Korrekturmöglichkeiten wie die Partialvolumenkorrektur (Unterschätzung der PET-Tracermenge durch eine zu geringe Ortsauflösung der Bilder) untersucht und auf Quantifizierungsstudien angewendet werden. Entwicklung eines hochauflösenden Kleintier- Hirn-PET-Systems elektrisches Signal umgesetzt werden kann) und die Geometrie des Systems beeinflusst. Auf Grund der feinen Strukturen und geringen Aktivitätsunterschiede von Untersuchungs- und Referenz-Geweben im Maushirn sind diese Merkmale von grosser Bedeutung. Im Rahmen dieses Projekts wird ein PET- System speziell für die Anwendung in der Neuroforschung entwickelt. Durch besonders kleine Szintillations-Kristall-Segmente soll eine ausreichende Auflösung erreicht und deren Konstanz durch eine Doppellagenauslese am Rand des Messbereichs verbessert werden. Die Effizienz ist in erster Linie durch die Nähe des Tomographen zum Objekt gegeben, so dass er nur den Kopf des Kleintiers umfassen wird. Darüber hinaus ist das Verhältnis von aktivem zu passivem Volumen geometriebedingt hoch (<60%). Konzept des künftigen hochauflösenden PET/MRT für Maushirnstudien zur Erforschung von Demenzerkrankungen am Kleintiermodell. Drei axiale Detektorblockringe radial angeordnet in 10 Kassetten ergeben ein Messvolumen von ca. Ø 20mm x 40mm. Das Interesse an metabolischen und anatomischen Studien im Kleintierbereich ist besonders in der Hirn-Forschung gross. Hierfür hat sich die PET in Kombination mit der MRT in der Vergangenheit als geeignetes Verfahren herausgestellt, um Krankheitsprozesse im Gehirn besser erfassen zu können. Allerdings sind die verfügbaren Geräte für diese Anwendung in der Kleintierbildgebung nur bedingt geeignet, da sie in Ortsauflösung und Effizienz stark limitiert sind. Massgeblich werden diese Eigenschaften durch die Szintillations-Kristall-Segmentgrösse (Detektor, der Radioaktivität in Licht umwandelt, welches dann mit einem Lichtdetektor wie Photomultiplier oder APD in ein

8 Neben einem vollständig neuen Detektorkonzept soll im Rahmen dieses Projekts auch die Ausleseelektronik neu entwickelt werden und insbesondere auf die Verarbeitung von schnellen Signalen aus Halbleitersensoren (G-APDs) abgestimmt sein. Zudem sollen digitale Prozessverarbeitungsmethoden eine Implementierung der Koinzidenzsignal-Zeiterfassung in ein Field Programmable Gate Array (FPGA) erlauben. Schnelle Signalver - arbeitung von Photosensor- Signalen Bei der PET wird üblicherweise ein analoger Signalverarbeitungsansatz zwischen Front-End-Elektronik und Photosensor gewählt, bei dem das Photosensorsignal in einen Zeit- und einen Energie-Kanal aufgespaltet wird. Das Energiesignal wird gefiltert (integriert) und durch einen langsamen Analog-Digital- Converter (ADC) digitalisiert. Die digitale Zeitinformation erhält man aus dem Zeitsignal, welches einen Constant-Fraction- Diskriminator (CFD) und einen Time- Digital-Converter (TDC) durchläuft. Die Genauigkeit der Zeitinformation hängt unter anderem von der Messgeschwindigkeit des TDCs ab. Je schneller abgetastet werden kann, desto teurer wird jedoch der TDC und desto mehr Wärme produziert er, was eine aufwendige Kühlung erfordert. Unser Ziel ist es, eine komplett digital arbeitende Schaltung für die PET-Auslese zu entwickeln. Diese soll in der Lage sein, die Energie- und Zeitinformation in Echtzeit aus der Digitalisierung des Photosensorsignals zu berechnen, um so eine beschleunigte PET-Elektronik zu erhalten und damit die Sensitivität des PET-Detektors zu erhöhen. Dazu wird der analoge Zeit-Kanal durch einen digitalen Zeit- Kanal ersetzt. Der Energie-Kanal wird beibehalten und als Trigger für den Zeit- Kanal genutzt. Die Verwendung eines Analog-Memory-Arrays (AMA) senkt den Energieverbrauch und die Kosten des Systems erheblich. Die Idee hinter diesem Chip ist, dass er ein Signal mit einer sehr hohen Frequenz (bis 5 Giga-Samples pro Sekunde (GSPS)) permanent abtasten und zeitgleich analog speichern kann. Der Chip wird mit einem langsamen ADC (33 MHz) ausgelesen, damit die Zeit-Information in einer akzeptablen Geschwindigkeit in einem Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) in Echtzeit errechnet werden kann. Dazu wird ein starker Algorithmus benötigt, der in Echtzeit aus wenigen Daten eine gute Zeit-Information liefern kann. Gute Ergebnisse für Photosignale in Verbindung mit einem Leading-Edge-ähnlichen Diskriminator wurden bereits erzielt. Ausserdem forschen wir zurzeit an weiteren Algorithmen, die einfach in einem FPGA zu implementieren sind, wie zum Beispiel einer Kreuzkorrelation, die für erste Testsignale vielversprechende Ergebnisse liefern. Diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit der Firma Siemens Molecular Imaging in Knoxville, Tennessee, USA, durchgeführt. Onkologie In einem gesunden Organismus werden Zellen in einem ausgewogenen Gleichgewicht gebildet und regeneriert. Diese Selbstregulation (Homöostase) beinhaltet das Zellwachstum und die -teilung (Proliferation) sowie den Zelltod. Bei Krebs ist dieses Gleichgewicht zu Gunsten des Zellwachstums verändert. Die Krebszellen wachsen ungehindert, da regulierende Signale nicht erkannt oder nicht ausgeführt werden. Der Grund liegt oft in Defekten des benötigten genetischen Codes. In unserem Labor wird an einer Vielzahl von Krebserkrankungen geforscht, um bessere Behandlungsmöglichkeiten und frühere Diagnoseverfahren zu entwickeln.

9 Immunologie, Ent - zündung & Infektionskrankheiten Die Darstellung der Wanderung von T-Zellen im lebenden Tier mit bildgebenden Verfahren Ohne die körpereigenen Abwehrkräfte des Menschen wäre ein Überleben in der Natur undenkbar. Das Immunsystem schützt den Menschen vor der Bedrohung durch verschiedene Pathogene, wie zum Beispiel Bakterien, Viren, Pilzen oder Parasiten. Doch ausser der Abwehr von Krankheitserregern kann eine fehlgeleitete Reaktion des Immunsystems auch zu Autoimmunerkrankungen, wie zum Beispiel Multiple Sklerose oder Asthma bronchiale, führen. Demgegenüber stehen aber auch massive potentielle positive Effekte des Immunsystems gegen verschiedene Tumorarten. Im klinischen Feld der Onkologie werden zunehmend neue Therapieansätze basierend auf Antikörpern oder Immunzellen entwickelt, die in Kombination mit herkömmlichen Therapieoptionen wie Chemotherapie oder Bestrahlung ein mächtiges Werkzeug im Kampf gegen den Krebs darstellen können. Von zentraler Bedeutung im Immunsystem sind die T-Zellen (Lymphozyten), welche die erworbene Immunität vermitteln. Diese können wiederum in CD4+ T- Helfer-Zellen und CD8+ zytotoxische T- Zellen unterschieden werden. Im Fokus unserer Experimente stehen die CD4+ T- Helfer-Zellen, die einerseits, vermittelt durch den Th1-Subtyp, an der Entstehung von Entzündungen beteiligt sind. Zum anderen sind sie unabdingbar für die Aktivierung der Antikörperproduktion, welche durch den Th2-Subtyp unterstützt wird. Die fehlgerichtete Reaktion von Th1-Zellen kann zur Induktion von Multipler Sklerose führen, Th2-Zellen können Asthma bronchiale auslösen. Die Untersuchung der T-Zellmigration im lebenden Tier mit bildgebenden Verfahren soll helfen, grundlegende Mechanismen bei der Entstehung von Autoim - munerkrankungen oder bei zellulären Immuntherapien gegen Tumore zu untersuchen. Für die unterschiedlichen bildgebenden Verfahren sind hierfür adäquate Zell-Markierungsmethoden vonnöten, mit denen es möglich ist, die Wanderung von Zellen dauerhaft zu ver - folgen. Ziel ist es, in vivo, das heisst im lebenden Organismus, Dynamik und Orte der Zellwanderung sowie der Zellteilung darzustellen und aufzuklären. Uns gelang es bereits, die T-Zellwanderung in einem Tiermodell für experimentelles Asthma über 48 Stunden mittels Positronen-Emissions-Tomographie quantitativ darzustellen. Wanderung von Immunzellen (Th1-Zellen) in den Lungenlymphknoten und perithymischen Lymphknoten im Tiermodell für experimentelles Asthma. Die Akkumulation (hellgelbe Bereiche) von radiomarkierten Th1-Zellen wurde mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) dargestellt. Zur besseren Orientierung wurde ein Computer-Tomographie (CT)-Bild unterlegt, in dem die Rippen und das Schlüsselbein (weiss) und die Lunge der Maus sehr gut zu sehen sind. In der Klinik beruhen T-Zell-basierte Immuntherapien auf der Applikation von CD8+ zytotoxischen T-Zellen. Die jüngere Vergangenheit zeigte jedoch, dass Th1- Zellen ebenfalls antitumorale Effekte in-

10 duzieren können. In Kooperation mit der Universitäts-Hautklinik Tübingen konnten grundlegende Wirkungsweisen von Th1-Zellen bei der Therapie in einem Tiermodell für ein Melanom und einen Pankreastumor mittels bildgebender Verfahren untersucht werden. Die Darstellung der T-Zell-Wanderung ermöglichte die Entstehung von Autoim - munerkrankung und die Wirkmechanismen bei zellbasierten Immuntherapien näher zu charakterisieren und besser verstehen zu können. Kardiologie In vivo Untersuchungen des Einflusses von Testosteron auf den Energiestoffwechsel im Herzmuskel Ein niedriger Testosteron-Wert wird in der Klinik mit dem metabolischen Syndrom und Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht. Im Besonderen wird ein erniedrigter Testosteron-Wert mit Diabetes Typ 2 und Herzversagen assoziiert. Das Herz ist in der Lage, aus mehreren Stoffwechselsubstraten Energie zu gewinnen. Unter physiologischen Bedingungen stammen 50 70% des Gesamtenergiebedarfs des Herzens aus der Oxidation von Fettsäuren und die restlichen 30 50% aus Glucose und Laktat. Liegt in diesem System eine Störung vor, so macht sich dies durch eine veränderte Verarbeitung von Fettsäuren und Glucose bemerkbar. In einer Prostatakrebsstudie an Mäusen wurde als Nebenwirkung einer Androgen-Ablations-Therapie (AAT, Kastration) festgestellt, dass unter Testosteronmangel (verursacht durch die Therapie) eine verstärkte Aufnahme von [ 18 F]FDG in das Myokard stattfindet. Ziel dieser Studie ist nun die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Testosteron-Mangel und Stoffwechselveränderungen verschiedener Stoffwechselsubstrate (Fettsäuren, Glucose, Triglyceride) des Herzens, um somit eine Zuordnung dieser Veränderungen zu Erkrankungen des Herzens zu ermöglichen. Diese Zusammenhänge werden mit gezielten Untersuchungen des Fettsäureund Glucosestoffwechsel, sowie der Myokardperfusion und Myokardvitalität am Herzen der Ratte untersucht. Die Stoffwechselparameter und Perfusion können mittels PET und entsprechender Tracer wie markierten Fettsäuren ([ 18 F]FTHA), Glucose ([ 18 F]FDG) und Ammoniak ([ 13 N]NH 3 ) in vivo dargestellt werden. Zur besseren Visualisierung werden zusätzlich MRT-Untersuchungen durchgeführt. Erhöhte [ 18 F]FDG-Aufnahme im Herzmuskel von Mäusen nach einer Androgen-Ablations-Therapie (Kastration). Es findet eine zunehmende Veränderung des Glucosemetabolismus des Herzens statt, in Korrelation mit einem sinkenden Testosteronspiegel.

11 Um einen unterschiedlichen Testosteronspiegel bestmöglich, ähnlich dem beim Patienten, widerzuspiegeln, werden die Tiere einer AAT unterzogen und anschliessend auch mit Testosteronersatzstoffen behandelt. Neurowissenschaftliche Forschungsschwerpunkte Neurodegenerative Erkrankungen: Morbus Alzheimer Bei Morbus Alzheimer handelt es sich um eine progressive, unheilbare neurodegenerative Erkrankung, die bei der aktuellen demographischen Entwicklung in westlichen Industrieländern eine immer grössere Rolle spielt. Die Erkrankungswahrscheinlichkeit steigt dabei mit zunehmender Lebenserwartung immer weiter an. Die aktuelle Bildgebungstechnologie, zusammen mit transgenen Tiermodellen, die die humane Erkrankung immer besser widerspiegeln, bildet dabei die Basis für wichtige Grundlagenforschung, die nicht nur der Suche nach den Ursachen der Krankheit dienlich ist, sondern auch die Möglichkeit bietet, neue Therapieansätze im lebenden Tier zu evaluieren. Dabei liegt einer unserer Forschungsschwerpunkte auf der möglichst frühen Detektion amyloider Ablagerungen im Gehirn, die eine Hauptursache für die Erkrankung sein könnten. Die Detektion dieser Amyloid-Plaques ist mittels geeigneter PET-Liganden möglich dabei gilt [ 11 C]PIB als einer der vielversprechendsten. Ausserdem ist die Untersuchung sekundärer physiologischer Effekte wie etwa der Verringerung des Blutflusses in betroffenen Hirnarealen von grösstem Interesse. Unsere Arbeitsgruppe fokussiert sich dabei auf die Entwicklung neuer PET-Liganden zur frühen Diagnose der Alzheimer-Erkrankung und auf die Darstellung der Neurodegeneration und Plaques mit unserem selbst entwickelten Kleintier-PET/MRT. Die kombinierte PET/MRT-Bildgebung bietet hierbei herausragende Möglichkeiten, da sowohl physiologische Effekte als auch Amyloid- Plaques absolut quantifiziert werden können. Oben: Quantifizierung der D2-Rezeptordichte im Striatum von Ratten mittels [ 11 C]Rakloprid PET. In diesen Versuchen wurde ein Hemiparkinson Rattenmodell verwendet. Ratten wurden hierzu unilateral (links) mit dem Neurotoxin 6-OHDA lädiert und anschliessend mit dem D2-Rezeptorantagonisten [ 11 C]Rakloprid im PET gemessen. Im Anschluss an die PET-Messung wurde eine MRT-Aufnahme zur anatomischen Orientierung durchgeführt. Durch die Degeneration der nigrostriatalen Neurone kommt es auf postsynaptischer Seite zu einer kompensatorischen Erhöhung der D2-Rezeptordichte im lädierten (linken) Striatum. Unten: Indirekte Quantifizierung des Neurotransmitters Dopamin im Striatum von Ratten mittels PET. Intraperitoneale Injektion der Dopaminvorstufe L-Dopa vor der PET- Messung führt zu einer Erhöhung der DA-Konzentration im Striatum. Da Dopamin mit [ 11 C]Rakloprid um die D2-Rezeptorbindungsstellen konkurriert, führt eine Erhöhung der Dopaminkonzentration zu einer Verdrängung des Radioliganden von seinen Bindungsstellen und damit zu einer Reduktion des Bindungspotenzials.

12 Neurodegenerative Erkrankungen: Morbus Parkinson Morbus Parkinson ist eine altersassoziierte, neurodegenerative Krankheit der motorischen Nervenbahnen im Gehirn, die durch den Neurotransmitter Dopamin ihre Informationen weiterleiten. Der therapeutische Goldstandard ist seit langer Zeit die medikamentöse Substitution des fehlenden Botenstoffes durch den Dopaminvorläufer L-DOPA. Jedoch ist diese Art der Therapie nur auf einige wenige Jahre beschränkt, da die Patienten zunehmend Dyskinesien (unkontrollierte Bewegungen) durch die Einnahme von L-DOPA entwickeln. Das Ziel unseres Forschungsprojekts ist daher die Untersuchung der Entstehung der Dyskinesien in etablierten in vivo Ratten-Modellen mittels Re zep tor- und Verhaltensstudien. Das erworbene Wissen zur Entstehung der Dyskinesien könnte helfen, einen neuen Therapieansatz zu entwickeln. Im Rahmen einer zweiten Parkinson- Studie wird durch die Injektionen eines spezifischen Neurotoxins (6-OHDA) in die neuronale Bahn bei Mäusen und Ratten eine Degeneration der Dopamin- Neurone, wie man sie typischerweise bei Morbus Parkinson am Patienten beobachten kann, ausgelöst. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird dieses Tiermodell mit Hilfe hochspezifischer, radioaktiv markierter Substanzen (z.b. [ 11 C]Methyl phenidat, [ 11 C]Rakloprid und [ 11 C]SCH 23390) genutzt, um mit PET die Dopaminrezeptordichte und den Einfluss verschiedener Wirksubstanzen auf die neuronale Interaktion zu untersuchen. Prof. Dr. Bernd Pichler Foto Universität Tübingen Autor PROFESSOR DR. BERND PICHLER Bernd Pichler hat 2008 den Ruf auf die Werner Siemens-Stiftungsprofessur für Präklinische Bildgebung und Bildgebungstechnologie angenommen und ist seit 2011 Direktor der Abteilung für Präklinische Bildgebung und Radiopharmazie an der Eberhard Karls Universität Tübingen. Er studierte an der Technischen Universität München Elektrotechnik mit den Schwerpunkten Biomedizin und Kybernetik. Er promovierte in der Physik am Max-Planck-Institut für Physik, München, und der Nuklearmedizinischen Klinik und Poliklinik der Technischen Universität München. Bereits während des Studiums, der Diplom- und Doktorarbeit beschäftigte sich Bernd Pichler mit der molekularen präklinischen Bildgebung für die biomedizinische Forschung und entwickelte innovative Detektoren für die Positronen-Emissions-Tomographie. Nach einem Forschungsaufenthalt als Assistant Research Engineer am Department of Biomedical Engineering der University of California, Davis, USA, wechselte Bernd Pichler an die Universität Tübingen.

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