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Quantitative imaging of energy-dependent processes - opportunities and limitations of 2-(18F)FDG
Eva-Maria Patronas
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Pharmazie)
Betreuer*innen
Helmut Viernstein ,
Markus Mitterhauser
DOI
10.25365/thesis.74408
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19837.41489.279259-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Glucose-Analogon 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (2-[18F]FDG) ist der am häufigsten verwendete Radiotracer in der Positronen-Emissions-Tomographie und steht im Zentrum dieser Dissertation. In einer der Studien wurde 2-[18F]FDG verwendet, um den Einfluss von unkonjugiertem Bilirubin (UCB) auf den Stoffwechsel von in vitro kultivierten Zelllinien zu bestimmen. Die Literatur legt nahe, dass eine milde Hyperbilirubinämie (Gilbert-Syndrom) vor Diabetes mellitus Typ 2 schützt und das Lipidprofil verbessert, jedoch fehlen mechanistische Studien. Im Zuge dieser Dissertation wurde gezeigt, dass eine niedrige UCB-Konzentration die Anreicherung von Lipiden in Skelettmuskel- und Hepatoblastomzellen in vitro reduziert und die Aufnahme von Glucose – visualisiert durch 2-[18F]FDG – erhöht. Trotz der langjährigen Anwendung des Radiotracers werden laufend neue Ansätze zur absoluten Quantifizierung des Glukosebedarfs mit Hilfe von 2-[18F]FDG entwickelt. Da die manuelle Bestimmung der arteriellen Inputfunktion (AIF; aus arteriellem Blut) zu diesem Zwecke invasiv und aufwendig ist, versucht man zunehmend, die IF direkt aus den generierten Bildern abzuleiten. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde mithilfe eines kombinierten PET-Magnetresonanztomographen ein neuartiger Ansatz für eine aus dem Bild abgeleitete IF zur absoluten Quantifizierung des Glukosebedarfs im Gehirn entwickelt, wobei sich eine gute Vergleichbarkeit mit der AIF zeigte. Darüber hinaus ist das genaue Verhalten von 2-[18F]FDG im Gewebe trotz der langjährigen Anwendung immer noch unklar. Prinzipiell wird der Radiotracer über Glukosetransporter aufgenommen, anschließend zu 2-[18F]FDG-6-Phosphat (2-[18F]FDG-6-P) phosphoryliert und laut aktuellem Stand der Wissenschaft hauptsächlich als solches in der Zelle gespeichert. Neuere Studien deuten jedoch darauf hin, dass 2-[18F]FDG-6-P im endoplasmatischen Retikulum akkumuliert, wo es von der Hexose-6-phosphat-Dehydrogenase (H6PD), einem Enzym des oxidativen Pentosephosphatwegs (oxPPP), metabolisiert werden kann. Dies könnte laut Studien über die Phosphorylierung hinaus für die Anreicherung des Radiotracers im Gewebe entscheidend sein. Die Literatur darüber, ob 2-[18F]FDG auch durch das verwandte Enzym Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase (G6PD) metabolisiert werden kann, ist uneinheitlich. Ferner ist der Metabolismus von 2-[18F]FDG im Allgemeinen unzureichend erforscht. Vor allem ist unklar, ob der Metabolismus über 2-[18F]FDG-6-P hinaus die Aufnahmekinetik oder Gesamtanreicherung des Radiotracers im Gewebe beeinflusst, was die Bildgebung beeinträchtigen könnte. Daher wurde im Zuge dieser Doktorarbeit zunächst der 2-[18F]FDG-Metabolismus in verschiedenen menschlichen Krebszelllinien in vitro untersucht, wobei mehrere Radiometaboliten identifiziert wurden. Es zeigte sich, dass der Metabolismus von 2-[18F]FDG wesentlich von der Verfügbarkeit von Glucose und der ursprünglichen Tumorentität abhängt. In einem zweiten Schritt wurde erstmals eine Übersicht über den 2-[18F]FDG-Metabolismus im Zusammenspiel mit der Akkumulation über die Zeit in verschiedenen Mausorganen, humanen Xenotransplantations-Tumoren und den entsprechenden Zelllinien in vitro erarbeitet. Das Ausmaß der Akkumulation und des Metabolismus von 2-[18F]FDG war signifikant unterschiedlich zwischen den untersuchten Geweben und es wurde ein unterschiedliches Stoffwechselmuster beobachtet. Interessanterweise korrelierten Radiometaboliten über 2-[18F]FDG-6-P hinaus, die den Glykogenstoffwechsels oder den oxPPP wiederspiegeln, invers mit der Gesamtakkumulation des Radiotracers. Dies deutet darauf hin, dass der Metabolismus über 2-[18F]FDG-6-P hinaus, bzw. die Aktivität bestimmter Glucose-Stoffwechselwege für die Bildgebung relevant sein könnte. Mechanistische in vitro Versuche bezüglich der Rolle des oxPPP zeigten, dass sowohl G6PD als auch H6PD am Metabolismus von 2-[18F]FDG beteiligt sein könnten, aber möglicherweise nur H6PD die Anreicherung von 2-[18F]FDG bestimmt. Zu guter Letzt ist 2-[18F]FDG zwar ein vielseitig anwendbarer Radiotracer, doch seine unspezifische Aufnahme ist auch von Nachteil. Beispielsweise ist 2-[18F]FDG für die Darstellung des braunen Fettgewebes (BAT) nicht zufriedenstellend, obwohl es derzeit als Goldstandard gilt. Angestoßen durch die präklinische Bildgebung mit unserem Radiotracer für den Melanin-konzentrierenden Hormonrezeptor-1 (MCHR1), [11C]SNAP-7941, die eine Aufnahme des Radiotracers im BAT aufzeigte, konnte der MCHR1 im Zuge dieser Doktorarbeit erstmals im BAT von Nagetieren und Menschen nachgewiesen werden. Dieses Wissen könnte die Erforschung der Interaktion von Organen und Signalwegen bei Diabetes und Adipositas fördern, da sowohl der MCHR1 als auch BAT die Energiehomöostase regulieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass [11C]SNAP-7941 ein geeigneter alternativer Radiotracer für die BAT-Bildgebung sein könnte.
Abstract
(Englisch)
The glucose analogue 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (2-[18F]FDG) is the most applied radiotracer in positron emission tomography and builds the center of this dissertation. In one of the presented publications, 2-[18F]FDG was used to determine the effect of unconjugated bilirubin (UCB) on the metabolism of in vitro cultivated cell lines. Literature suggests that mild hyperbilirubinemia (Gilbert's syndrome) protects against diabetes mellitus type 2 and improves the lipid profile, but mechanistic studies are lacking. In the course of this dissertation, it was shown that low UCB concentration reduces the accumulation of lipids in skeletal muscle and hepatoblastoma cells in vitro and increases the consumption of glucose visualized by 2-[18F]FDG. Furthermore, new approaches to absolutely quantify glucose demand with the help of 2-[18F]FDG are constantly developed. Because manual determination of the arterial input function (AIF; from arterial blood) is invasive and laborious, there are increasing attempts to derive the IF directly from the images. In this dissertation, an advanced computational approach for an image-derived input function was developed for the absolute quantification of glucose demand in the brain. The method used a combined PET/magnetic resonance imaging system and showed good comparability with the AIF. Moreover, the exact behavior of 2-[18F]FDG in tissues is still unclear despite the long-standing use of the radiotracer. In principle, the radiotracer is taken up via glucose transporters. It then gets phosphorylated to 2-[18F]FDG-6-phosphate (2-[18F]FDG-6-P) and is said to be mainly trapped as such. However, recent studies indicate that 2-[18F]FDG-6-P accumulates in the endoplasmic reticulum, where it can be processed by hexose-6-phosphate dehydrogenase (H6PD), an enzyme of the oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP). According to literature, this could be crucial for 2-[18F]FDG accumulation beyond phosphorylation. However, whether 2-[18F]FDG can also be metabolized by the related enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD) is ill-defined. Furthermore, the metabolism of 2-[18F]FDG is poorly understood in general. Most importantly, it is unclear whether metabolism beyond 2-[18F]FDG-6-P alters uptake kinetics or overall tissue accumulation of the radiotracer, which could affect imaging. Therefore, in this doctoral thesis, 2-[18F]FDG metabolism was first investigated in different human cancer cell lines in vitro and several radiometabolites were identified. Metabolism beyond 2-[18F]FDG-6-P depended substantially on glucose availability and the tumor entity (origin of the cell lines). In a second step, a map of 2-[18F]FDG metabolism in interaction with accumulation over time was defined for various murine organs, two xenograft tumors and corresponding cell lines in vitro for the first time. The extent of accumulation and metabolism of 2-[18F]FDG was significantly different among the tissues studied, and a different metabolic pattern was observed. Most interestingly, levels of radiometabolites within glycogen metabolism or the oxPPP correlated inversely with total tracer accumulation. This suggests that metabolism beyond 2-[18F]FDG-6-P or the activity of specific glucose metabolic pathways could be relevant for imaging. Mechanistic in vitro studies concerning the role of the oxPPP suggested that while both G6PD and H6PD could be involved in 2-[18F]FDG metabolism, only H6PD determines 2-[18F]FDG accumulation. Finally, while 2-[18F]FDG is a highly versatile tracer, its nonspecific mode of action is also a drawback. For example, 2-[18F]FDG is not satisfactory for the imaging of brown adipose tissue (BAT), although it is currently considered the gold standard. Following preclinical imaging with our melanin-concentrating hormone receptor 1 tracer (MCHR1) [11C]SNAP-7941 that revealed BAT uptake, the MCHR1 was described in rodent and human BAT for the first time in the course of this doctoral thesis. This finding could promote research on organ-crosstalk in diabetes and obesity, as both the MCHR1 and BAT regulate energy homeostasis. Furthermore, [11C]SNAP-7941 was shown to be a potentially suitable alternative radiotracer for BAT imaging.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Positronen-Emissions-Tomographie PET 2-[18F]FDG 2-[18F]FDG Metabolismus Pentosephosphatweg braunes Fettgewebe [11C]SNAP-7941
Schlagwörter
(Englisch)
Positron emission tomography PET 2-[18F]FDG 2-[18F]FDG metabolism pentose phosphate pathway brown adipose tissue [11C]SNAP-7941
Autor*innen
Eva-Maria Patronas
Haupttitel (Englisch)
Quantitative imaging of energy-dependent processes - opportunities and limitations of 2-(18F)FDG
Paralleltitel (Deutsch)
Quantitative Bildgebung von energieabhängigen Prozessen - Möglichkeiten und Grenzen von 2-(18F)FDG
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
VI, 183 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Elisabeth von Guggenberg zu Riedhofen ,
Adriana Tavares
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein. Allgemeines
AC Nummer
AC16954069
Utheses ID
67430
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 449 |