Der gläserne Patient

Münchner Wissenschaftstage26. Oktober 2004

M. Schwaiger, S. Nekolla, E. RummenyKlinikum rechts der Isar

Medizintechnik

Forschungs-ClusterTUM – „Biomedical Engineering“

Life Science ElektronikBioanaloge Informationsverarbeitung

Biologische Bildgebung

Medizinische Informationstechnik

& RobotikMinimal-

Invasive Chirurgie-

Biotechnologie /Biomaterialien& Biotooling

Studiengang MedizintechnikMedizin

TUMMRI – DHZMediTUM

Industriekooperationen

Bildgebende Verfahren in der Medizin

• Diagnose Früherkennung, Schweregrad und Ausdehnung

von Erkrankungen• Risikoabschätzung Abwägung von Therapieentscheidungen, Kosteneffektivität der Behandlung• Therapieplanung und -überwachung Optimierung der Behandlung Beurteilung des Therapieansprechens

Geschichte der Bildgebung

• 1895: W. C. Röntgen- Eine neue Art von Strahlen• 1896: Haschek, Lindenthal- Erste Gefäßdarstellung• 1943: von Hevesy- Tracermethode mit Radioisotopen• 1968: Hounsfield- Prinzipen der Computer-Tomograpie (CT)• 1973/78: Lauterbur, Mansfield- Magnetresonanz-Tomographie ( MRT)• 1976/78: Terpergossian, Phelps, Hoffmann- Positronen Emissions Tomographie (PET)

Anatomie

Biologie

Perfusion

StoffwechselRezeptoren

Gen Expression

Signal Transduktion Protein Interaktion

Zell-Therapie

Röntgen-Strahlen

Tracer Methoden(SPECT, PET)

AngiographiePumpfunktionComputertomographie

Magnet Resonanz Tomographie (MRT)

MR Spektroskopie

Ultraschall/SPECT PET

OpticalImaging

Entwicklung der Bildgebung Von Struktur zur Funktion

Prinzipien der BildgebungEm

issi

onTr

ansm

issi

on

SPECT PET

CT MR

HF

X

1895 2004

K.Röntgen

Computer TomographieFächerstrahl Kegelstrahl

Magnetresonanztomographie MRT

Q

S

N

Ganzkörper-MRT und MRA 1.5T Magnetom (Avanto)

A. Haase, Würzburg

Kernspintomographie des schlagenden Herzens

Herz von der Maus (12Tesla)

Herz vom Menschen (1.5Tesla)Klinikum rechts der Isar (MRI)

GEORGE DE HEVESY

Some applications of isotopic indicators

Nobel Lecture, December 12, 1944

„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. ...“

Positronen-Emissions-Tomographie PET

ist eine Methode zur Visualisierung der

Organfunktionen am Menschen mit radioaktiv markierten

Substanzen

18F-O

CH2OH

OH

OHOH

18F

Produktion von Radionukliden

über Kernreaktionen

Einbau dieser Radionuklide in

biologisch aktive Verbindungen

Applikationdsfertige Radiopharmaka

Zyklotron Chemische Synthese Radiopharmaka+ =

Molekulare Bildgebung

H H

OHO

H

H H

H2C OH

OH

OH

18F

O

OH

Zuckerstoff-wechsel

Zelle

Prinzipien der PET

Untersuchung des Zuckerstoffwechsel

markiertes Zuckermolekül

Gesunde Person

PET-Untersuchung

Gehirn

Niere

Blase

Was ist PET/CT ?Ein PET/CT Gerät ist die Kombination aus einem

Mehrschicht-CT und einem PET Scan und damit die Kombination aus

anatomischer und biologisch-funktioneller Bildgebung

PET PET/CT

Zuckerstoffwechsel + Knochendarstellung

• PET ist eine sehr empfindliche Methode Krebszellen im Körper zu erkennen

• PET erfaßt alle Organe in einer Untersuchung und bestimmt so exakt das Ausmaß der Krebserkrankung

• PET erfaßt frühzeitig das Ansprechenauf Therapie

Prinzipien der PET

PET bei Krebserkrankungen

PET bei Krebserkrankungen

Krebszellen unterscheiden sich von normalen Zellen durch einen hohen Zuckerstoffwechsel

Hintergrund

Metastasierendes Melanom

Zuckerdarstellung

SUV50

PET bei Krebserkrankungen

Bösartiger Tumor (Lungenkrebs)12.000 pro Jahr

SUV50

PET bei Krebserkrankungen

Gutartiger Tumor8000 pro Jahr

Lungenkrebs: gutes Ansprechen auf Therapie

vor Therapie

SUV0 10

nach 3 Wochennach 3 Monaten

PET-Untersuchung bei Krebserkrankungen

FDG uptake bei Non-Hodgkin Lymphomen : CHOP- Therapie

Frühe Therapiekontrolle mit FDG-PET

Römer, Hanauske et al.Blood 91:4464-71 (1998)

Tag 0Tag 7Tag 42

coronar

axial

Tag 0 Tag 7 Tag 42

K [m

l/100

g/m

in]

0

2

4

6

8

10

12

14

Non-Hodgkin Lymphom

FDG-PET nach Chemotherapie

Spaepen, Stroobants et al. J Clin Oncol 2001, 19:414-419

Prog

ress

ion

free

surv

ival

(%)

2 Jahre Überleben PET negativ 85% PET positiv 5%

FDG

Antikörper

Peptidrezeptoren

Enzyme

Rezeptoren Transporter

EnzymeNukleosides

Nukleosides

Integrine

mRNA DNA

Genom

Transkriptom

Proteom

Morphom

Molekulare Bildgebung

Darstellung von Tumor-Zelloberflächen Rezeptoren50 jähr. Männl. Patient mit metastasierten Carcinoid

Semann, Meisetschläger,Scheidhauer,Wester

Visualisierung der Zell Proliferation mit F18-Fluor Thymidin (FLT) bei

Ösophagus Carcinom

Tumor

Knochenmark

Multimodale Radiotherapie mit131IAZA od.64Cu-ATSM

Bestimmung der hypoxischen Zellfraktion

PrognoseindikatorIndividualisierung Tumortherapie

Sauerstoffarmut im Tumor (Hypoxie)

AdaptationhypoxischesZielvolumen

Selektion hypoxieadaptierter Therapieschemata(EPO, Carbogen-Therapie, Hydralazin, TPZ)

Chao et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys (2001) 49:1171-1182

Strahlentherapie Planung

CT Cu-ATSM PET Fusion

PET Reporter Gen ImagingReporter Gen → Gen Produkt ← Reporter

Signal

VektorReporter GeneEnzyme

HSV1-TKHSV1-sr39TK

SubstrateFIAUFHBG

RezeptorD2R

SSTR

LigandenFESP

SST-Analogues

TransporterNa-I-SNET

Iodine HED

In vivo Experimente• intramyocardiale Injektion of 2.5*109 pfu

AdHCMV-TK (n=4) or AdHCMV-LacZ (control, n=4) in inferiore Wand des Herzens (perkutan, echo-überwacht)

AdHCM

V-TK

• intravenöse Injektion of I-125 FIAU 3 Tage später• Biodistribution, Autoradiographie, LacZ Staining

Darstellung der Gen-Expression im Herzen

LacZ-Staining

Autoradio-graphie

AdHCMV-LacZ AdHCMV-TK

Kontrolle Gen-Transfer

Zusammenfassung

• Medizinische Bildgebung hat sich zu einem sehr wichtigen Standbein nicht nur in der Diagnostik, sondern auch bei der Therapieoptimierung entwickelt

• Weiterentwicklungen bedürfen interdisziplinärer Kooperationen in der Gerätetechnik sowie in der Datenverarbeitung

• Molekulare Bildgebung verbindet biologische Grundlagenforschung mit Radiopharmazie, Physik und Chemie

• Die Medizintechnik an der TUM unterstützt einzigartig die Entwicklung und Anwendung von innovativer Bildgebung in interdisziplinären Forschungsprojekten

Lebenswissenschaften

Ingenieurwissenschaften

Medizin

Naturwissenschaften