A. WunderJ. GrimmU. Müller-Ladner

Molekulare Bildgebungbei rheumatoider Arthritis

Z Rheumatol 62:Suppl 2, II/33–II/36 (2003)DOI 10.1007/s00393-003-1210-7 WISSENSTRANSFER DURCH SICHTBARMACHUNG

Priv.-Doz. Dr. Andreas Wunder ())Jan Grimm MDCenter for Molecular Imaging ResearchMassachusetts General HospitalHavard Medical SchoolBuilding 146, 13th StreetCharlestown 02129 MA, USATel.: 0 01-6 17-7 26-77 06Fax: 0 01-6 17-7 26-57 08E-Mail: awunder@hms.harvard.eduE-Mail: jgrimm@helix.mgh.harvard.edu

Priv.-Doz. Dr. Andreas WunderForschungsschwerpunktInnovative Krebsdiagnostik und -therapieDeutsches KrebsforschungszentrumIm Neuenheimer Feld 28069120 Heidelberg, GermanyE-Mail: a.wunder@dkfz-heidelberg.de

Dr. Jan GrimmKlinik für Diagnostische RadiologieUniversitätsklinikum Schleswig-HolsteinCampus KielArnold-Heller-Straße 924105 Kiel, GermanyE-Mail: grimm@rad.uni-kiel.de

Priv.-Doz. Dr. Ulf Müller-LadnerKlinik und Poliklinik für Innere Medizin IUniversität RegensburgFJS-Allee 1193042 Regensburg, GermanyE-Mail: ulf.mueller-ladner@klinik.uni-regensburg.de

Molecular imaging in rheumatoidarthritis

n Zusammenfassung Mit denFortschritten der Molekularbiolo-gie und den technischen Entwick-lungen auf dem Gebiet der Bild-gebung wird es zunehmend mög-

lich, biologische Prozesse nicht-invasiv auf molekularer Ebenesichtbar zu machen und quantita-tiv zu erfassen. Diese Technolo-gie, die mit dem Begriff moleku-lare Bildgebung beschrieben wird,basiert auf sogenannten „moleku-laren Markern“ und soll eine frü-he Diagnose, eine verbesserteKlassizifierung von Stadium undSchwere von Erkrankung, eineobjektive Beurteilung des Be-handlungserfolges und eine zu-verlässige Prognose des Patientenermöglichen. Darüber hinaus istdie molekulare Bildgebung einwertvolles Werkzeug für die Eva-luierung physiologischer und pa-thophysiologischer Prozesse sowiefür die Entwicklung von Medika-menten. Mit der konventionellenRadiographie (CR), der Compu-tertomographie (CT), nuklearme-dizinischen Methoden, der Ma-gnetresonanztomographie (MRT),der Sonographie (US) und ande-ren Verfahren wie der fluores-zenzoptischen Bildgebung, steheneine Reihe von bildgebenden Sy-stemen zur Verfügung, die sichhinsichtlich der Auflösung undder Möglichkeiten, Informationenauf anatomischer, physiologischer,zelluärer und molekularer Ebenezu erhalten, unterscheiden. Damithängt die Auswahl des bildgeben-den Verfahrens für die molekulareBildgebung im Einzelfall von derFragestellung ab. Die vorliegende

Übersicht diskutiert das Potentialbildgebender Verfahren für diemolekulare Bildgebung bei derrheumatoiden Arthritis (RA).

n Summary Advances in molecu-lar biology and technical develop-ments in the field of imaging areincreasingly allowing for non-in-vasive visualization and quantita-tion of biological processes at themolecular level. Such technologies,defined as molecular imaging,promise early diagnosis and im-proved classification of the stageand severity of disease, objectiveassessment of treatment efficacy,and reliable prognosis based onso-called molecular markers.Furthermore, molecular imagingis an important tool for the eva-luation of physiological andpathophysiological processes andfor drug development. Variousdifferent imaging modalities areavailable, such as conventionalradiography (CR), computed to-mography (CT), nuclear imaging,magnetic resonance imaging(MRI), ultrasound (US), as well asother methods including fluores-cence-based optical imaging.These methods differ with respectto resolution and their potential togather information at the anato-mical, physiological, cellular andmolecular level. Therefore, thechoice of the imaging modality formolecular imaging depends on the

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questions that need to be an-swered. This review discusses thepotential of imaging modalities formolecular imaging in rheumatoidarthritis (RA).

n SchlüsselwörterRheumatoide Arthritis –Molekulare Marker –Molekulare Bildgebung –Radiologische Diagnostik –Fluoreszenzoptische Bildgebung

n Key wordsRheumatoid arthritis –molecular markers –molecular imaging –radiological diagnostics –fluorescence imaging

Prinzipielle Vorgehensweise bei der Entwicklungeines molekularen Diagnostikums

Um biologische Prozesse nicht-invasiv auf molekula-rer Ebene visualisieren und quantifizieren zu kön-nen, müssen zunächst krankheitsassoziierte, moleku-lare Zielstrukturen (targets) identfiziert werden (tar-get screening). Je nach Fragestellung kann es sichdabei um spezifische molekulare Marker zur frühenDiagnose, zur Klassizifierung von Stadium undSchwere einer Erkrankung, zur Beurteilung des Be-handlungserfolges oder zur Einschätzung der Prog-nose des Patienten handeln. Die Zielstrukturen kön-nen Nukleinsäuren (spezifische RNS- oder DNS-Se-quenzen) oder Proteine (z. B. Rezeptoren oder En-zyme) sein. Ist die Zielstruktur definiert, müssendurch ein weiteres Screening Liganden gefundenwerden, die mit möglichst hoher Affinität und Spezi-fität an diese Zielstruktur binden. Der geeignete Li-gand wird dann je nach bildgebendem Verfahren miteinem Signalmolekül (Label) versehen, das die Vi-sualisierung des markierten Liganden und gegebe-nenfalls eine Quantifizierung in vivo ermöglicht. DieAuswahl des Signalmoleküls (radioaktiv, para- bzw.superparamagnetisch oder fluoreszierend) hängt ent-scheidend von der Fragestellung ab, da sich die ver-schiedenen, bildgebenden Verfahren hinsichtlich derAuflösung und der Möglichkeiten, Informationen aufanatomischer, physiologischer, zellulärer oder mole-kularer Ebene zu erhalten, unterscheiden [1, 2].

Das Potential radiologischer Verfahrenfür die molekulare Bildgebung bei RA

Die konventionelle Radiographie (CR) ist bislang derGoldstandard in der Diagnostik der RA. Mit der CRsteht eine schnelle und preiswerte Bildgebung aufanatomischer Ebene mit hoher Auflösung (im Be-reich weniger Mikrometer) zur Verfügung. Sie ver-mag neben knöchernen Veränderungen (Knochende-mineralisierung, Gelenkspaltverschmälerung, Usurenetc.), welche auch die Grundlage radiographischerScores sind, unspezifische Weichteilschwellungendarzustellen. Gegenüber der CR bietet die Computer-tomographie (CT) eine verbesserte Bildgebung vonWeichteil- und Knochenstrukturen, wobei inbeson-

dere die überlagerungsfreie Darstellung und dieMöglichkeit dreidimensionaler Rekonstruktion vonVorteil sind. Weder die CR noch die CT sind durchein Tiefenlimit beschränkt. Jedoch können mit kei-nem der beiden Verfahren frühe pathophysiologischeVeränderungen und Prozesse auf zellulärer oder mo-lekularer Ebene erfasst werden, da bisher keinekrankheitsspezifischen Kontrastmittel zur Verfügungstehen [3, 4]. Selbst mit geeigneten Kontrastmittelnwäre die Notwendigkeit relativ hoher Kontrastmittel-konzentrationen (im millimolaren Bereich) nachtei-lig. Bei der CR und noch mehr bei der CT ist außer-dem die Strahlenbelastung zu berücksichtigen [1, 2].

Aufgrund des hohen Weichteilkontrastes könnenmit der Magnetresonanztomographie (MRT) sensitivpathophysiologisch frühe Gelenkveränderungen er-fasst werden. Die MRT erlaubt strahlenbelastungsfreidie Visualisierung der Synovitis als Ort der primärenLäsion bei der RA, des Pannus und deren Auswirkun-gen auf Knorpel, Knochen und benachbarte Weichteil-strukturen wie Sehnen, Bänder und Bursen in hoherAuflösung von etwa 10–100 Mikrometern [5–7].Durch Anwendung krankheitsspezifischer, gadolini-umhaltiger oder superparamagnetischer Kontrastmit-tel besitzt die MRT das Potential, frühe pathophysiolo-gische Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebeneohne Tiefenlimit darzustellen. Von Vorteil ist auch,dass die nötigen Kontrastmittelkonzentrationen (immikromolaren Bereich) relativ niedrig sind [1, 2].Nachteilig bei der MRT sind neben der noch unzurei-chenden Standardisierung bei der RA die hohen Kos-ten und der hohe Zeitaufwand des Verfahrens [5–7].

Nuklearmedizinische Methoden wie Szintigraphie,Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder Single-Photon-Emission-Computer-Tomographie (SPECT)haben durch die vielfältigen Möglichkeiten krank-heitsspezifischer Radiopharmaka wie die MRT ein ho-hes Potential für die molekulare Bildgebung bei derRA, wobei die nötigen Kontrastmittelkonzentration(im Bereich von piko- bis nanomolar) noch nied-riger liegen als bei der MRT. Außerdem ist eineQuantifizierung mit diesen Methoden relativ einfach[1, 2]. Zur Anwendung nuklearmedizinischer Verfah-ren bei RA liegen bisher nur wenige Untersuchungenvor [8, 9]. Nuklearmedizinische Verfahren sind zwarnicht durch ein Tiefenlimit beschränkt, liefern je-doch aufgrund der relativ geringen Auflösung (etwa1 Millimeter oder etwas darunter) weniger detaillier-

te Bilder als die CR, CT und MRT. Nachteilig sindauch die Strahlenbelastung und die relativ hohenKosten, insbesondere bei PET [1, 2].

Die Sonographie (US) hat einen festen Platz inder bildgebenden Diagnostik der RA. Sie bietet einebessere Darstellung von Weichteilgewebe und istauch hinsichtlich der Identifikation von Knochenero-sionen sensitiver als die CR, da Veränderungen derKnochenoberfläche, sofern sonographisch zugäng-lich, gut dargestellt werden können. Jedoch scheintdie Sonographie bezüglich pathophysiologischerWeichteilveränderungen im Gelenk weniger sensitivals die MRT. Die Sonographie ist beliebig oft wieder-holbar, mobil einsetzbar und für den Patienten we-nig belastend. Die Verwendung von Farbdoppler-oder der noch empfindlicheren Power-Doppler-So-nographie, ermöglicht an Hand der Gewebevaskula-rität eine Einschätzung der Entzündungsaktivität imSynovium [10, 11]. Die Verwendung von Ultraschall-kontrastmitteln auf der Basis von sogenannten „Mi-crobubbles“, erhöht die Sensitivität der Sonographieund bietet darüber hinaus für die Zukunft Möglich-keiten für eine molekulare Bildgebung. Mit der So-nographie können je nach Gerätesystem an derOberfläche sehr hohe Auflösungen von etwa 15–20Mikrometer erreicht werden, jedoch nimmt dieAuflösung mit zunehmender Tiefe in den Millimeter-bereich ab [1, 2].

Das Potential fluoreszenzoptischer Verfahrenfür die molekulare Bildgebung bei RA

Fluoreszenzoptische Verfahren sind zwar aufgrundder Lichtstreuung im Gewebe durch ein Tiefenlimit(im Bereich von wenigen Zentimetern) und eine re-lativ geringe räumliche Auflösung (im Bereich vonetwa einem Millimeter) beschränkt, sind aber für diemolekulare Bildgebung von relativ oberflächennahenProzessen sehr gut geeignet. Die Vorteile liegen auf-grund der geringen Autofluoreszenz in einem gutenSignal-zu-Rausch-Verhältnis, inbesondere bei Nut-zung des „diagnostischen Fensters“ im Nahinfrarot(NIR)-Bereich. Durch die Verwendung von NIR-Farbstoffen wird zudem die Gewebepenetration vonLicht maximiert. Fluoreszenzoptische Verfahren bie-ten vielfältige Möglichkeiten der Bildgebung auf zel-lulärer und molekularer Ebene. Dabei sind nur rela-tiv geringe Kontrastmittelkonzentrationen (im nano-molaren Bereich) nötig. Außerdem sind die Verfah-ren kostengünstig und schnell [12, 13]. TechnischeNeuerungen wie die optische Tomographie erlaubenzudem, Fluoreszenzverteilungen dreidimensional undquantitativ zu erfassen [14]. Die Abbildung 1 zeigtdas Prinzip „intelligenter“ fluoreszenzoptischer Kon-

trastmittel (smart sensor probes), die es ermög-lichen, die Aktivität krankheitsassoziierter Molekülenicht-invasiv darzustellen. Die Abbildung 2 zeigteine Weißlichtaufnahme und eine Fluoreszenzauf-nahme einer Maus mit kollagen-induzierter Arthritis24 Stunden nach Injektion eines „intelligenten“fluoreszenzoptischen Kontrastmittels, welches eineSchnittstelle beeinhaltet, die durch Cathepsin B ge-spalten werden kann. Dieses Prinzip und das Kon-trastmittel wurden am Center for Molecular ImagingResearch (CMIR) in Boston von Prof. Weisslederund Kollegen entwickelt [15].

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Abb. 1 Prinzip „intelligenter“ fluoreszenzoptischer Kontrastmittel (smart sen-sor probes). Das Kontrastmittel besteht aus einem „Rückgrat“ (backbone), andas mehrere Fluorochrome über spezifische Peptide gekoppelt sind. Durchdie räumliche Nähe der Fluorochrome kommt es zur Fluoreszenzlöschung(quenching). Die Spaltung des Kontrastmittels an spezifischen Enzymschnitt-stellen führt zur Freisetzung gebundener Fluorochrome, die bei Anregung mitLicht entsprechender Wellenlänge fluoreszieren. Das Fluoreszenzlicht wirddurch eine Kamera mit einem Filter, der nur das von den Fluorchromen emit-tierte Licht passieren lässt, aufgenommen. Hierdurch wird es möglich, dieAktivität krankheitsassoziierter Moleküle (hier von Enzymen) nicht-invasivdarzustellen und zu quantifizieren. Die Abbildung wurde freundlicherweisevon Siemens Medical Solutions zur Verfügung gestellt

Fazit

Die molekulare Bildgebung besitzt ein enormes Po-tential, pathophysiologische Vorgänge bei der RAdurch den Einsatz hochspezifischer, krankheitsasso-ziierter Kontrastmittel nicht-invasiv darzustellen undzu quantifizieren. Damit kann diese Technologie ei-nen wichtigen Beitrag bei der Diagnose, dem Moni-toring und der bei Behandlung der Patienten leisten.Vor allem auch die Kombination verschiedener bild-gebender Verfahren verspricht strukturelle mit funk-tionellen Informationen bei höchst möglicher räum-licher Auflösung zu verknüpfen.

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Abb. 2 Weißlichtaufnahme (A) und Fluoreszenzaufnahme (B) einer Mausmit kollagen-induzierter Arthritis 24 Stunden nach Injektion eines „intelligen-ten“ fluoreszenzoptischen Kontrastmittels. Die enzymatische Spaltung desKontrastmittels in arthritischen Pfoten durch Cathepsin B führt zur Aktivie-rung der Fluoreszenz. Nur entzündete Pfoten und Zehen (linke Vorderpfoteund 3 Zehen der rechten Vorderpfote) zeigen eine hohe Fluoreszenzintensität

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