DE102004061348B4

DE102004061348B4 - Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels

Info

Publication number: DE102004061348B4
Application number: DE102004061348A
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Hengerer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: US20060133995A1; JP2006176512A; DE102004061348A1; US7713516B2; CN1824332A

Abstract

Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels für die Durchführung einer bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten, welches die folgenden Schritte umfasst:
– eine Gewebeprobe, die einem Patienten entnommen wurde, wird in mehrere Einzelproben aufgeteilt;
– jeder Einzelprobe wird ein Kontrastmittel beigegeben, das an eine bestimmte Zielstruktur im Gewebe bindet, wobei die Kontrastmittel neben den kontrastgebenden Teilen jeweils bestimmte Liganden enthalten, die an eine bestimmte Zielstruktur im Gewebe binden;
– das nicht von den Einzelproben gebundene Kontrastmittel wird abgetrennt;
– die Einzelproben werden mit einem Untersuchungsverfahren untersucht, um die Eignung der verschiedenen Kontrastmittel für die bildgebende Untersuchung des Patienten zu ermitteln, wobei das Untersuchungsverfahren ein Bildgebungsverfahren oder ein optisches Bildgebungsverfahren ist, und die kontrastgebenden Teile dem jeweiligen Untersuchungsverfahren entsprechen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels für die Durchführung einer bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten.
Die konventionelle bildgebende Diagnostik, wie z. B. die Röntgen-Computertomographie (CT) die Magnetresonanztomographie (MRT), die Positronenemissionstomographie (PET), die Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) oder auch die optische Bildgebung wie NIRF (Near Infra Red Fluorescence) liefert anatomische oder funktionell-physiologische Informationen des Körpers. Dabei werden oft Kontrastmittel verwendet, die aufgrund von physiologischen Parametern wie Durchblutung oder Gewebedichte pathologische Gewebe sichtbar machen. Beim PET werden z. B. als Kontrastmittel (KM) Biomoleküle verwendet, bei denen ein stabiles Isotop durch einen Positronenemitter wie z. B. ¹¹C, ¹³N oder ¹⁵O ersetzt ist. Dadurch kann das metabolische Verhalten der markierten Biomoleküle verfolgt werden. Bei der MRT werden para- oder ferromagnetische Substanzen wie z. B. cheliertes Gd oder Eisenoxid-Nanopartikel als Kontrastmittel verwendet, die zur Funktionalisierung an weitere Moleküle angelagert sein können. Diese Kontrastmittel werden z. B. in bestimmten, unter Umständen pathologisch veränderten Geweben angereichert und führen dort zu Kontrastveränderungen im Bild.
Heute zugelassene Kontrastmittel sind jedoch wenig spezifisch. Eine Anreicherung des MRT-Kontrastmittels Gd-DOTA im Gehirn kann z. B. durch einen Tumor, einen Schlaganfall, eine MS-Läsion oder jegliche andere pathologische Veränderung hervorgerufen werden, welche die Blut-Hirn-Schranke betrifft.
Neuere so genannte Molecular Imaging (MI) Kontrastmittel ermöglichen eine sehr viel spezifischere Charakterisierung von pathologischen Geweben durch die oben genannten bildgebenden Verfahren (siehe A. Hengerer, T. Mertelmeier, Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Germany: "Molecular Biology for Medical Imaging" electromedica 69 (2001) no. 1).
Molecular Imaging integriert molekularbiologische Methoden wie z. B. Antigen-Antikörper Wechselwirkungen oder Peptid-Rezeptor Anbindung und bildgebende Technologien. Hierdurch wird eine nicht-invasive Charakterisierung biologischer Prozesse auf zellulärer oder molekularer Ebene möglich. Molecular Imaging ist also die in-vivo Visualisierung fehlerhafter Stoffwechselvorgänge durch biologische Reagenzien (Molecular Imaging Kontrastmittel), welche im Organismus an molekulare Krankheitsmarker oder Zielstrukturen anbinden und diese somit selektiv markieren. Ergänzend zur konventionellen Bildgebung liefert das Molecular Imaging komplementäre Information über die Position und – im Idealfall – die Menge molekularer Zielstrukturen im lebenden Organismus, ohne die Notwendigkeit einer Biopsie.
Da sich pathologische Prozesse zunächst auf molekularer Ebene manifestieren, bevor es zu (makro-)anatomischen oder funktionellen Ausprägungen der Erkrankung kommt, ermöglicht das Molecular Imaging eine Diagnose in früheren Stadien einer Erkrankung.
In manchen Applikationen sind die MI Kontrastmittel so spezifisch, dass nicht jeder Patient mit demselben Kontrastmittel bildgebend untersucht werden kann, auch wenn eine "gleiche" Erstdiagnose/Diagnoseverdacht vorliegt. Viele heute zu einem Krankheitsbild gruppierte Erkrankungen (z. B. Tumore bestimmter Organe) subsumieren in Wirklichkeit diverse molekulare Erkrankungen mit anatomisch ähnlicher Ausprägung. Da die zugrunde liegenden pathologischen Mechanismen jedoch unterschiedlich sind, können auch unterschiedliche Zielstrukturen (targets) für die Bildgebung vorliegen.
Unter "Zielstruktur" wird hier eine molekulare Struktur im Gewebe verstanden, mit der das Kontrastmittel mithilfe einer bestimmten in ihm enthaltenen molekularen Struktur, dem "Liganden", wechselwirkt.
Die WO 99/56787 und WO 99/56788 beschreiben Verfahren zur Auswahl eines Kontrastmittels für bildgebende Untersuchungen. Die Kontrastmittel sind jeweils ein Konjugat aus einer kontrastverstärkenden Einheit ("Reporter") und einer Einheit, die spezifisch an bestimmte Zielstrukturen bindet ("Vektor"). Dabei wird eine Bibliothek aus zahlreichen verschiedenen Reporter-Vektor-Konjugaten gebildet, und die Mitglieder der Bibliothek werden auf ihre Bindungsaffinität zu einer biologischen Zielsubstanz getestet. Diese kann z. B. eine ex-vivo Gewebeprobe sein. Zur Überprüfung der Bindungsaffinität weisen die Mitglieder der Bibliothek einen Tag auf, z. B. ein Radio-Isotop. Es handelt sich somit um ein analytisches Auswahlverfahren, welches spezialisierte Labortechnik und geschultes Personal voraussetzt.
Aus der DE 20 2004 01279 U1 ist ein Testsystem zur schnellen Bestimmung eines bestimmten Proteins in biologischen Flüssigkeiten bekannt. Das Testsystem umfasst ein Reagenzgemisch mit Antikörpern, Zusatzstoffen und Puffern sowie mindestens ein Polysaccharid, Disaccharid, Monosaccharid und ein synthetisches, wasserlösliches Polymer.
Der Artikel "Combined Vascular Targeted Imaging and Therapy: A Paradigm for Personalized Treatment" von King C. Li et al, Journal of Cellular Biochemistry Supplement 39: 65–71 (2002), offenbart eine polymerisierte Nanopartikel-Plattform, mit der Nanopartikel einerseits mit kontrastgebenden Agenten beladen werden können und andererseits an ihrer Oberfläche Liganden aufweisen können, welche an bestimmte Zielsubstanzen binden. Somit kann vor Beginn einer Therapie ein Molecular Imaging Schritt durchgeführt werden, um herauszufinden, ob der verwendete Ligand an das zu behandelnde Zielorgan, z. B. ein Gefäß, bindet. Dabei wird dem Patienten das Molecular Imaging Kontrastmittel verabreicht, und ein Bildgebungsverfahren wie MRT durchgeführt. Anhand der erhaltenen Bilder können nur diejenigen Patienten für die Therapie ausgewählt werden, bei denen die verwendeten polymerisierten Nanopartikel an die Zielsubstanz gebunden haben.
Um die Möglichkeiten der spezifischen Molecular Imaging Kontrastmittel auszuschöpfen, müsste jeder Patient also dem gleichen bildgebenden Verfahren mehrmals mit jeweils unterschiedlichem Kontrastmittel unterzogen werden. Wird nur ein Kontrastmittel mit einem bestimmten Liganden ausgewählt, der an bestimmte molekulare Krankheitsmarken anbindet, ist bei falscher Auswahl des Kontrastmittels keine Diagnose möglich.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, durch ein Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels die Verwendung derartiger MI-Kontrastmittel für die Diagnostik zu erleichtern. Ferner hat sie sich die Aufgabe gestellt, die Möglichkeiten des Molecular Imaging für die Therapieplanung und Therapiekontrolle besser nutzbar zu machen.
Diese Aufgaben löst sie mit dem Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels für die Durchführung einer bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten gemäß Anspruch 1.
Dieser Auswahlprozess ist vollständig automatisierbar in ein "turn-key" System. Das optimale Kontrastmittel für einen bestimmten Patienten kann beispielsweise in der Radiologie aus einem Pool von Reagenzien ausgewählt werden. Dies ermöglicht eine hochspezifische Visualisierung, Lokalisierung und möglicherweise Quantifizierung von biochemischen Funktionen und deren Entgleisungen im Körper. Dies ist für viele individualisierte Therapien unumgänglich. Das so ermittelte Kontrastmittel kann für die bildgebende Untersuchung des Patienten verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist das Untersuchungsverfahren ein Bildgebungsverfahren wie PET, SPECT, MRT oder ein optisches Bildgebungsverfahren wie NIRF, wobei die kontrastgebenden Teile dem jeweiligen Untersuchungsverfahren entsprechen.
Vorteilhafterweise unterscheiden sich die verschiedenen Kontrastmittel nicht in dem den eigentlichen Bildkontrast erzeugenden Teil, sondern in einem daran gebundenen Liganden, der sich an eine bestimmte Zielstruktur im Gewebe anlagert. Der so ermittelte Ligand kann auch als Träger für einen pharmazeutischen Wirkstoff zur Behandlung des Patienten verwendet werden. Dadurch wird ein äußerst effizientes "Drug Targeting" ermöglicht, und die verabreichte Dosis kann durch das Bildgebungsverfahren genau bestimmt werden.
Darüber hinaus kann der ermittelte Ligand auch selbst als pharmazeutischer Wirkstoff verwendet werden. Beispiele für Liganden, die selbst als Therapeutikum dienen können, sind Antikörper, Peptide oder Nukleinsäuren, die z. B. im Rahmen einer Antisense-Therapie genutzt werden.
Der ermittelte Ligand kann auch als Ligand eines weiteren Kontrastmittels für die bildgebende Untersuchung des Patienten mit einem anderen bildgebenden Verfahren verwendet werden. Beispielsweise wird das MRT-Kontrastteilchen wie z. B. ein Eisenoxid-Nanopartikel durch einen Fluoreszenzfarbstoff substituiert, der mit optischen Bildgebungsverfahren nachweisbar ist. Optische Untersuchungen sind attraktiv, da die Methode für den Patienten nicht belastend und relativ kostengünstig ist. Wenn die zu untersuchende Region begrenzt ist, da der Krankheitsherd bereits lokalisiert ist, können günstige Detektoren mit einem kleinen Field of View (FoV) verwendet werden. für das vorgeschaltete Auswahlverfahren eignen sich hingegen Ganzkörper-Bildgebungsverfahren wie PET, SPECT oder MRT aufgrund der Möglichkeiten der dreidimensionalen Bildgebung besonders gut. Die MRT zeichnet sich durch eine hohe Bildauflösung aus, während PET und SPECT vorzugsweise dann verwendet werden, wenn hohe Sensitivität erforderlich ist.
Der Ligand des ausgewählten Kontrastmittels kann auch als "in-vitro" Diagnostik-Reagenz bei einer Folgeuntersuchung des Patienten zur Therapiekontrolle verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1: Ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3: Ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte bei der Anwendung des ausgewählten Kontrastmittels und Liganden gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Zunächst wird dem Patienten in Schritt 2 eine Gewebeprobe, wie z. B. eine Blut- oder Biopsieprobe, entnommen. Bevorzugt wird eine Gewebeprobe verwendet, die im Rahmen einer Screening-Untersuchung oder bei „in-vitro" diagnostischen Voruntersuchungen bereits angefallen ist.
Die Probe wird dann in einem parallelisierten Ansatz (High Throughput Screening, HTS) analysiert, wobei möglichst viele Gewebeproben gleichzeitig untersucht werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden hierfür einzelne Gewebeproben in die Mulden eines Microtiter-Plates eingefüllt, wie in der Veröffentlichung „High Throughput Magnetic Resonance Imaging for Evaluating Targeted Nanoparticle Probes", D. Hoegemann et al., Bioconjugate Chem. 2002, 13, 116–121 beschrieben. Dort ist das Kontrastmittel ein magnetisch markierter Nanopartikel, an den verschiedene Peptide angebunden bzw. konjugiert sind.
Im Schritt 6 des Verfahrens werden die verschiedenen Kontrastmittel den Einzelproben beigefügt. Die Kontrastmittel enthalten jeweils einen kontrastgebenden Teil, wie z. B. ein Eisenoxydpartikel, der im verwendeten Bildgebungsverfahren Kontrast erzeugt, sowie einen bestimmten Liganden, der an bestimmte Zielstrukturen (Target) im Gewebe bindet. Als Ligand wird ein Pool von Reagenzien verwendet, der z. B. aus einer Peptide Library erhalten wird.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird der Ligand ausgewählt aus: Peptid Libraries, Nukleinsäure Libraries (einschl. Antisense Libraries), Phagen Libraries, Adenovirus Libraries oder Libraries aus derivativen Viren oder Retroviren, synthetischen Libraries (z. B. Dentrimer Libraries) oder Microbubble basierte Libraries (z. B. Liposome Libraries). Die Zielstruktur in der Gewebeprobe ist z. B. ein Antigen, ein Enzym oder eine Nukleinsäure.
Die Einzelproben werden in Schritt 8 mit den verschiedenen Kontrastmitteln inkubiert, um eine Bindung des Liganden an die Zielstruktur zu erreichen, falls die Probe die jeweilige Zielstruktur enthält.
Die Gewebeproben werden nach Ablauf der Inkubationszeit gespült, um nicht gebundenes Kontrastmittel zu entfernen. Dies geschieht beispielsweise durch Waschen der Zellen mit Salzlösung. Bevorzugt werden jedoch Assays verwendet, die kein Abwaschen des Kontrastmittels erfordern.
Daraufhin werden die mit den verschiedenen Kontrastmitteln versetzten Einzelproben vorzugsweise gemeinsam mit einem Bildgebungsverfahren, wie z. B. PET, SPECT, MRT oder NIRF untersucht, um die Eignung der verschiedenen Kontrastmittel für die bildgebende Untersuchung des Patienten zu ermitteln (Schritt 12). Idealerweise kann aus dem aufgenommenen Bild auf die Konzentration des Kontrastmittels in der jeweiligen Einzelprobe und somit die Bindungsaffinität des jeweiligen Kontrastmittel-Liganden an die Zielstruktur geschlossen werden. Die Bildgebung selbst kann im Falle der MRT gemäß dem im oben genannten Artikel aus Bioconjugate Chem. beschriebe nen Verfahren durchgeführt werden. Dabei wurden mehrere Microtiter-Plates gleichzeitig untersucht, so dass bei einer Untersuchungszeit von etwa 50 Minuten bis zu 1920 Einzelproben analysiert werden konnten. Durch Variation der Echozeit wurde ein Maß für die T2-Relaxationszeit ermittelt und dadurch die Konzentration des Kontrastmittels in den einzelnen Mulden des Plates abgeschätzt. Im Falle eines optischen Bildgebungsverfahrens wird zweckmäßigerweise nur ein Microtiter-Plate gleichzeitig untersucht.
Zum Nachweis der Bindung d. h. zur Identifizierung der Liganden, die mit der Patientenprobe reagieren, werden also für die "in vivo" Diagnostik entwickelte Bildgebungsverfahren verwendet.
Die so ermittelten Daten erlauben die Auswahl eines Kontrastmittels mit einem geeigneten Liganden, welcher eine optimale Affinität für die Zielstrukturen der Gewebeprobe aufweist (Schritt 16). Das bei der späteren Untersuchung zu applizierende Kontrastmittel wird so aus einem Pool verschiedener Kontrastmittel ausgewählt, um sicher zu stellen, dass es an die Patientenprobe anbindet und zur Verifizierung der Labordiagnostik oder zu Lokalisation des Krankheitsherds geeignet ist. In einem darauf folgenden in 1 nicht dargestellten Schritt wird dem Patienten das ausgewählte Kontrastmittel verabreicht und der Patient mit dem jeweiligen Bildgebungsverfahren untersucht. Die so gewonnenen Bildgebungsdaten können zur Therapieplanung verwendet werden.
Das oben beschriebene Verfahren ist auf andere Weise in 2 dargestellt. Dem Patienten 18 wird hier die Gewebeprobe 20 entnommen, die daraufhin mit den Kontrastmittelteilchen 22a, 22b gemischt und einem High Throughput Screening "in-vitro" Bildgebungsverfahren unterzogen wird. In der Zeichnung ist schematisch dargestellt, wie die biologisch aktiven Liganden der Kontrastmittelteilchen 22a, 22b an die Gewebeprobe 20 anlagern. Das am besten bindende Kontrast mittel wird dann ausgewählt, und der Patient in Schritt 26 z. B. in dem schematisch dargestellten MR-Tomographen untersucht. Dabei wird das im vorherigen Schritt ausgewählte Kontrastmittel verwendet.
Die vorteilhaften Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind hiermit jedoch noch nicht ausgeschöpft. Ein Beispiel für weitere Verfahrensschritte ist in 3 dargestellt.
Nach der bildgebenden Untersuchung des Patienten mit dem ausgewählten Kontrastmittel kann gegebenenfalls eine Therapie 28 wie z. B. eine Strahlentherapie oder eine Antisense-Gentherapie durchgeführt werden. In bestimmten Fällen kann der Ligand des ausgewählten Kontrastmittels hierbei als Trägermolekül für Therapeutika zum Einsatz kommen, oder direkt selbst als Therapeutikum wirken. In diesem Fall müssen therapeutische Dosen verwendet werden. Eine Dosisbestimmung kann anhand der vorgeschalteten Bildgebung erfolgen. Dadurch wird eine patientenspezifische Applizierung und genau planbare Dosierung des therapeutischen Wirkstoffes ermöglicht.
Zur Therapiekontrolle 29 kann der in Schritt 16 ermittelte Ligand wieder als Kontrastmittel verwendet werden.
Ferner kann das Kontrastmittel auch durch Austausch des kontrastgebenden Teilchens modifiziert werden, um zur Diagnostik in anderen bildgebenden Verfahren eingesetzt zu werden (Schritt 34). Beispielsweise wird das MRT-Kontrastteilchen durch einen Fluoreszenzfarbstoff substituiert, mit dem NIRF-Untersuchungen durchgeführt werden.
Möglich ist auch eine Mehrfachmarkierung, d. h. ein Kontrastmittelteilchen enthält mehrere kontrastgebende Teile für verschiedene Bildgebungsverfahren, z. B. sowohl eine MR- als auch eine Nuklearmedizinmarkierung, oder sowohl eine MR- als auch eine Fluoreszenzmarkierung. Alternativ können als kontrastgebende Teile auch Elemente verwendet werden, die wie z. B. die Lanthanide gleichzeitig MR-aktiv sind und fluoreszieren. Dies erlaubt, den Patienten mit mehreren Bildgebungsverfahren zu untersuchen.
Es kann auch der Fall auftreten, dass bei der Ermittlung der KM-Bindung in Schritt 14 mehrere Liganden eine gute Bindungsaffinität an die Gewebeprobe des Patienten aufweisen, z. B. indem sie an verschiedenen Zielstrukturen anbinden. In diesem Fall können für die Bildgebung (Schritt 26) oder die Therapie (Schritt 28) des Patienten Kontrastmittel gebildet werden, die mehrere Liganden enthalten. Hierfür können mehrere Liganden auf eine Trägersubstanz wie z. B. ein Liposom oder ein Eisenoxydpartikel aufgebracht werden.
Begleitend oder alternativ kann der Ligand auch zur Folgeuntersuchung als "in-vitro" Diagnostik-Reagenz eingesetzt werden, um weitere in Schritt 30 entnommene Patientenproben zu untersuchen (Schritt 32). Die Proben sind bevorzugt einfach zu entnehmende Blut-, Urin-, oder Stuhlproben, sofern die Zielstruktur in diesen Gewebeproben nachweisbar ist.
Die hier beschriebene Prozedur kann auch zur "in-vitro" Differenzial-Diagnostik verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels für die Durchführung einer bildgebenden Untersuchung bei einem Patienten, welches die folgenden Schritte umfasst: – eine Gewebeprobe, die einem Patienten entnommen wurde, wird in mehrere Einzelproben aufgeteilt; – jeder Einzelprobe wird ein Kontrastmittel beigegeben, das an eine bestimmte Zielstruktur im Gewebe bindet, wobei die Kontrastmittel neben den kontrastgebenden Teilen jeweils bestimmte Liganden enthalten, die an eine bestimmte Zielstruktur im Gewebe binden; – das nicht von den Einzelproben gebundene Kontrastmittel wird abgetrennt; – die Einzelproben werden mit einem Untersuchungsverfahren untersucht, um die Eignung der verschiedenen Kontrastmittel für die bildgebende Untersuchung des Patienten zu ermitteln, wobei das Untersuchungsverfahren ein Bildgebungsverfahren oder ein optisches Bildgebungsverfahren ist, und die kontrastgebenden Teile dem jeweiligen Untersuchungsverfahren entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Ligand ein biologisch aktives Molekül wie z. B. ein Peptid, eine Nukleinsäure, ein Liposom oder ein Antikörper ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zielstruktur in der Gewebeprobe ein Antigen, ein Enzym oder eine Nukleinsaure ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Einzelproben nach der Beigabe des Kontrastmittels inkubiert werden, um eine Bindung des Kontrastmittels an die Zielstruktur zu erreichen, bevor das nicht gebundene Kontrastmittel entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Einzelproben eines oder mehrerer Patienten gleichzeitig mit dem Untersuchungsverfahren untersucht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Gewebeprobe dem Patienten im Rahmen einer Screening Untersuchung oder einer "in vitro" diagnostischen Voruntersuchung entnommen wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Bildgebungsverfahren PET, SPECT, MRT oder NIRF ist.