Medizinische Bildgebung Von der Diagnose zur Therapie

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1 Medizinische Bildgebung Von der Diagnose zur Therapie Bayerische Akademie der Wissenschaften Jahrestagung 6. Dezember 2014

2 Der historische Weg zur richtigen Diagnose Autopsie Röntgenbild Rembrandt, The Anatomy Lesson of Dr. Nicolaes Tulp, 1632 Röntgen, Röntgenbild von A. von Köllikers Hand, 23. Januar 1896

3 Geschichte der Bildgebung 1895: Röntgen - Eine neue Art von Strahlen 1896: Haschek, Lindenthal - Erste Gefäßdarstellung 1968: Hounsfield - Prinzipen der Computer-Tomograpie (CT) 1973/78: Lauterbur, Mansfield - Magnetresonanz-Tomographie ( MRT) 1976/78: Terpergossian, Phelps, Hoffmann - Positronen Emissions Tomographie (PET) 2008: Tsien,Chalfie,Shimomura Erfindung des grün-fluoreszierenden Proteins (GFP)

4 Morphologie Anatomie Kontrastkinetik Perfusion Röntgen/ Angiographie Stoffwechsel Computer Tomographie (CT) Ultraschall Rezeptoren Signal Transduktion Szintigraphie SPECT/PET Kernspintomographie (MRT) Multimodale Bildgebung (PET/CT) Molekulare Bildgebung (PET/MR). MR Spektroskopie Gen Expression Zellinteraktion Zell Migration Optische und Optoakustische Bildgebung Biologie

5 Prinzipien der medizinischen Schnittbildgebung Emission Transmission X HF Röntgenstrahlen Magnetresonanz γstrahlung Positronen

6 Prinzipien der Computertomographie c/o Peter Noel < mm, 70 s 20 msv > mm, 10 s 2 msv

7 Prinzipien der Computertomographie 1971

8 Magnetfeld Prinzipien der Kernspintomographie (MRT) m= -1/2 m= +1/2 Zeit < T, 5 mm, 60 s T, 1 mm, 15 s > T, 0.50 mm, <1 s > T, 0.25 mm, <1 s

9 Prinzipien der Kernspintomographie (MRT).1977

10 Regionale Hirnfunktion BOLD-Blutflussmessung Augen geschlossen Augen offen Riedel et al Correlatin Korrelation g der Voxels Voxel SEED SEED Diagram of the BOLD effect - Courtesy of Stuart Clare, FMRIB. Funktionelle Kernspintomographie (fmri) Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM, Cohen MS, Vevea JM, Brady TJ, Rosen BR: Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. In: Science. Bd. 254, 1991, S

11 MR Stoffwechselmessungen in-vivo MR-Spektroskopie (MRS) mit hyperpolarisiertem C-13 Pyruvate Spectroscopic Imaging (MRSI) Konversionsraten Pyruvat-Lactat Menzel et al. JNM 2013

12 Anwendung der Radioisotope als biologische Indikatoren Nobel Vorlesung, 12. Dezember 1943 The most remarkable results obtained in the study of the application of isotopic indicators is perhaps the discovery of the dynamic state of the body constituents.... Georg von Hevesy

13 Radionuklide zur funktionellen Bildgebung Gammastrahler I-131 Jod Schilddrüse 8 Tage Thallium- 201 Herzperfusion 72 Std Tc-99m Phosphate Knochenaufbau 6 Std Positronenstrahler F-18 Glukose Zuckerstoffwechsel 2 Std C-11 Palmitat Fettstoffwechsel 20 min N-13 Ammoniak Herzperfusion 10 min 0-15 Wasser Hirnperfusion 2 min

14 Positronen Emissions Tomographie (511keV) Koinzidenzmessung Vernichtungsstrahlung 18 F (511keV) e + Räumliche Auflösung ca. 5mm Zeitliche Auflösung 1 sec Sensitivität 1 pmol Zeitfenster 600 pico sec

15 Die Tracer-Methode Produktion der Radiopharmaka Zyklotron Chemische Synthese Radiopharmaka CH 2 OH 18 F - OH O OH OH 18 F Produktion von Radionukliden über Kernreaktionen Einbau dieser Radionuklide in biologisch aktive Verbindungen Applikationsfertige Radiopharmaka

16 Visualisierung des Glukose-Stoffwechsel PET PET/CT Gehirn Nieren Blase Zuckerstoffwechsel + Knochendarstellung

17 Multimodale Bildgebung PET/MR: Kombination von Struktur, Funktion und Interaktion MRT CT Wenig Kontrast Hoher Weichteil Kontrast & FDG-PET Stoffwechsel/Neuronale Funktion) & MRI (BOLD-fMRI) Regionale Aktivierung & MRI DTI Fibre Tracking Konnektivität Abbildung der regionalen, neuronalen Funktion

18 Klinische Beispiele Anwendung der Bildgebung Neurodegeneration Koronare Herzerkrankung Krebserkrankung

19 Molecular Imaging Früherkennung der Alzheimerschen Erkrankung Prinzipien der Amyloid-Bildgebung Glial cell Neuron Amyloid-Plaques Vascular space Drzezga et al.

20 Amyloid-PET, FDG-PET und MRT 2.0 Amyloid-PET FDG-PET MRT 2.0 Alzheimer Demenz SUVR 70-90min SUVR 70-90min Gesund

21 Auftreten von strukturellen, metabolischen und biochemischen Veränderungen vor Eintreten einer klinischen Symptomatik Amyloid Anstieg Jahre Bateman et al. New Engl J Med, 2012

22 Klinische Beispiele Anwendung der Bildgebung Neurodegeneration Koronare Herzerkrankung Krebserkrankung

23 Erkennung der myocardialen Ischämie (Perfusions - Szintigraphie)

24 Korrelation von Angiographie (CTA) und regionaler Perfusion des Herzens Gaemperli et al. EHJ 2011

25 Kardiale Ereignisrate in Abhängigkeit des Myokardszintigraphie-Befundes % n = Patienten 0.6 Normal 7.4 Abnormal Iskander et al, JACC 98

26 Risiko Score Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Ischämie des Herzens und ereignisfreiem Überleben Medikamentöse Therapie 1 Interventionelle Therapie (Bypasschirurgie oder PTCA) 12.5 Ausmaß der Ischämie (%LV) Hachamovitch et al Circulation 2003

27 Herausforderungen bei Krebserkrankungen Diagnose Früherkennung von Erkrankungen Risikoabschätzung Schweregrad der Erkrankung (Staging/Grading) Therapieplanung Selektion der besten Behandlung Beurteilung des individuellen Therapieansprechens Navigation der Intervention Strahlentherapie und intraoperative Navigation

28 Der National Lung Screening Trial bei Personen mit hohem Risiko für Lungenkrebs an 33 U.S. Krankenhäusern Randomisierung (August 2002 bis April 2004) Niedrig-Dosis CT n = Röntgen Thorax n = Inzidenz von Lungenkrebs 645 Fälle per Personen-Jahre (1060 Tumorfälle) mit CT 572 Fälle per Personen-Jahre (941 Tumorfälle) mit Röntgen-Thorax Krebs-Todesfälle 247 Todesfälle per Personen -Jahre mit CT 309 Todesfälle per Personen Jahre mit Röntgen-Thorax Eine Reduktion der Mortalität von Lungenkrebs um 20% mit der Computertomographie (LDCT) Geschätzte Kosten für einen vermiedenen Lungenkrebstod betragen ca $ (primäre Kosten bei falsch-positiven Befunden) The New England Journal of Medicine, June 2011

29 Computertomographie Struktur Positronen Emissions Tomographie Zucker-Stoffwechsel Bösartigkeit eines CT Lungenbefundes PET/CT Negativ PET/CT Positiv

30 PET-Untersuchung bei Krebserkrankungen Lungenkrebs: gutes Ansprechen auf Therapie vor Therapie nach 3 Wochen nach 3 Monaten 0 SUV 10

31 Limitation der Krebsbehandlung Heterogenes Ansprechen ( z.b. Ansprechrate 20-30%) Histologische Diagnose Medikament A Molekulare Diagnostik Medikament A B C Standardisierte Therapie Individualisierte Therapie

32 Molekulare Bildgebung der Signalwege bei der Krebserkrankung Gewebe Invasion and Metastasierung Ga-68 CXCR4 B5, B6, C4, Gefäßneubildung Angiogenese F-18 Galacto RGD Verhinderung des programmierten Zelltods Apotosis F-18 Annexin Z2, A1,A3, A4, A5, A6, B3, B4, C6, C7 Krebszelle Phänotyp Proteom Gen Regulation Wachstumssignale, Rezeptor Expression Ga-68 Somatostatin A2, A5, B2, B5 Veränderter Energiestoffwechsel B1, C2 F-18 Deoxy Glukose, C-11 Glutamin Unendliches Replikations Potential, Proliferation F-!8 Thymidin Genom Instabilit ät Hanahan and Weinberg Cell 2002 (modified)

33 Haubner,Beer Wester, Kessler F-18 Galacto-RGD PET als Biomarker für die Integrin Expression in Tumorgefäßen MRI T1w + Gd-DTPA [ 18 F]Galacto-RGD PET

34 Belastung durch ionisierende Strahlung Natürliche Hintergrund Strahlung Natürliche Strahlung Picano et al., European Heart Journal 2014;

35 Kosten im deutschen Gesundheitssystem (2012) Diagnose Therapie Labor Bildgebung Ärzte Ärzte Pflege Medikamente ca 5 % " Deutschland 2012, in Millionen Stat. Bundesamt 2013 Requardt, Siemens

36 Ausblick: Integrierte Diagnostik Klinische Daten Familie Demographie Umweltfaktoren Therapien Biologische Bildgebung Struktur Funktion In-vivo Biomarker Präzisions Medizin Genetik Mutationen SNPs Genome-scale sequence Proteomik Metabolomik Serum und Gewebe In-vitro Biomarker Individualisierte Diagnose und Prognose Selektion und Überprüfung von Therapien Epidemiologie / Big Data

37 Medizintechnik und Bioengineering As much as new ideas are fundamental to the advancement of science, technological innovations are the engine of scientific progress. Professor Shirley Tilghman President ( ) Princeton University