Positiver Kontrast zum Nachweis magnetisch markierter Zellen in der MRT – in-vitro Experimente / Positive contrast in the detection of magnetically labeled cells by MRI – in vitro experiments

Abstract

Ziel. Magnetisch markierte Zellen (MMZ) führen zu Verzerrungen der Magnetfeldverteilung sowohl auf mikroskopischer als auch makroskopischer Ebene. Die aus der räumlich inhomogenen Feldverteilung resultierenden Verschiebungen der Resonanzfrequenzen werden zur Detektion MMZ mittels positiver MR Kontraste verwendet.

Material und Methoden. Geringe Konzentration (0, 5, 20, 30, 50, 75, und 150 MMZ/μl) und hohe Konzentrationen (10·10³, 30·10³, 60·10³, und 100·10³ MMZ/10 μl) magnetisch markierter SK-Mel28 Zellen wurden in einem Agargel präpariert. Sinc-förmige spektral selektive Sättigungspulse (SSS) verschiedener Bandbreite (BW_sat = 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, und 800 Hz) wurden vor jeder Sequenzrepetition TR einer 2D Spinecho-Sequenz implementiert und auf die Spektrometer-Referenzfrequenz v₀ justiert. Signalanregung und -rephasierung erfolgte breitbandig mit BW_ex = 1.000 Hz.

Ergebnisse. Ohne SSS zeigte sich der höchste Wert (C_rel = 10%) im relativen MR Kontrast C_rel zwischen markierten und unmarkierten Raumbereichen bei 150 MMZ/μl. Anwendung SSS führte zur Kontrastaufhellung der Proben mit niedrigen Konzentrationen MMZ und zu deutlichen Verbesserungen in C_rel. Das Maximum in C_rel war dabei für 75 MMZ/μl zu beobachten: 52% (BW_sat = 100 Hz) und 28% (BW_sat = 200 Hz). Eine Kontrastaufhellung war auch in den Volumenelementen feststellbar, welche nahe lokaler Zellaggregationen lokalisiert waren.

Schlussfolgerungen. Die Verwendung SSS kann zur Kontrastaufhellung von Volumenelementen, deren Magnetfeldverteilung von MMZ beeinflusst wird, verwendet werden. Im in vitro Experiment folgt eine gegenüber herkömmlichen Bildgebungsstrategien deutlich höhere Sensitivität zum Nachweis MMZ. Die Anwendung SSS unter in vivo Bedingungen erscheint durchaus möglich, da die zugrundeliegenden physikalischen Effekte ähnlich sind.

Purpose. Magnetically labeled cells (MLC) cause local field inhomogenities within the single voxels as well as on a macroscopic scale. The related Larmor frequency shift near MLC was exploited to obtain bright visualization applying spectral selective saturation (SSS).

Methods. SK-Mel28 cells were labeled with the superparamagnetic iron oxide contrast agent SHU 555A. Low cell concentrations (0, 5, 20, 30, 50, 75, and 150 MLC/μl) and high cell concentrations (10·10³, 30·10³, 60·10³, and 100·10³ MLC/10 μl) were examined at 3 Tesla. Shimming and frequency adjustment to spectrometer reference frequency v₀ was performed with the built in routine of the scanner. A 2D spin echo sequence with broadband excitation and refocusing pulses was used (BW_ex = 1.000 Hz). Prior to each TR, a non-selective saturation sinc pulse centred at v₀ was applied. Bandwidth (BW_sat) of this pulse was varied from 100 Hz to 800 Hz in logarithmic steps.

Results. Without SSS the highest value of C_rel (i.e. relative MR contrast between labeled to unlabeled samples) was found for 150 MLC/μl and was given by 10%. Applying SSS led to positive contrast of the complete labeled volumes and to remarkable improvements in C_rel. With increasing cell concentrations C_rel raised to maximum, that was given by 52% (BW_sat = 100 Hz) and 28% (BWs_sat = 200 Hz) found for 75 MLC/μl. For 150 MLC/μl C_rel decreased. A contrast clarification could also be detected near cell aggregations despite saturation.

Conclusion. Using SSS positive contrast can be achieved for voxels containing MLC and voxels close to cell clusters. Under in vitro conditions positive contrast improved the sensitivity to detect MLC as compared to negative contrast imaging techniques. It seems reasonable, that positive contrast approaches can be applied in vivo as the underlying physical mechanism are comparable.