Sensitive Particle Acoustical Quantification (SPAQ) – eine neue Methode für die quantitative molekulare Ultraschalldiagnostik

Problemstellung: In den letzten Jahren gelang es mehreren Forschungsgruppen target-spezifische Ultraschallkontrastmittel herzustellen und deren Wirksamkeit im Tierexperiment darzulegen. Neben der reinen Detektion von krankheitsassoziierten zellulären Markern würde deren Quantifizierung neue Möglichkeiten zum Verständnis der Pathogenese von Krankheitsprozessen, für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien und Medikamente, sowie zur Differenzialdiagnostik und Therapieverlaufskontrolle von Erkrankungen eröffnen.

Methode: Neben der Entwicklung von antikörpertragenden Ultraschallkontrastmittel-(USKM-)Bläschen (polymerstabilisierte Luftbläschen) haben wir ein Verfahren zur Quantifizierung von target-gebundenen (statischen) USKM-Bläschen entwickelt. Basierend auf SAE-Signalen, die bei der ultraschallinduzierten Zerstörung von USKM-Blasen entstehen, wird durch eine präzise gesteuerte Bild zu Bild-Verschiebung die räumliche Auflösung ca. 100-fach gesteigert. Während herkömmliche US-Verfahren auflösungsbedingt lediglich eine Diskriminierung von ca. 1.000 Bläschen/ml Gewebe zulassen, erlaubt dieses neue Verfahren die Diskriminierung von bis zu ca. 100.000 Bläschen/ml Gewebe. Zunächst wurde das Verfahren (SPAQ) in einem Agarphantom mit 30.000 Bläschen/ml mit unterschiedlicher Auflösung (10-100 µm) geprüft, gefolgt von ex vivo Experimenten an Lebern von Ratten, die zuvor USKM-Bläschen unterschiedlicher Konzentrationen i.v. bekamen. Der in vivo „Proof of Principle“ erfolgte an einem Tiermodell für die Multiple Sklerose des Menschen, der AT-EAE-Ratte (EAE = experimental autoimmune encephalomyelitis). Der Erkrankungsprozess ist mit einer Aufregulierung von ICAM-1 an den Endothelien der Blut-Hirn-Schranke assoziiert. Anti-ICAM-1 spezifische USKM-Bläschen wurden im Hirn von unbehandelten erkrankten, sowie von kortisonbehandelten Ratten nach i.v. Gabe quantifiziert.

Ergebnisse: Im Agarphantom konnte eine lineare Korrelation (r=0,9918) zwischen der Dicke der Ultraschallschnittbilder und den darin gemessenen SAE-Signalen demonstriert werden. Diese Ergebnisse wurden durch die ex vivo Leberexperimente bestätigt. Im Hirn von kortisonbehandelten Ratten konnte eine signifikant geringere Anreicherung von anti-ICAM-1-Bläschen (p<0,008) gemessen werden im Vergleich zu den unbehandelten Tieren.

Schlussfolgerung: SPAQ ermöglicht eine sensitive Quantifizierung von spezifisch gebundenen USKM-Bläschen und stellt eine vielversprechende Technologie für die indirekte nicht-invasive Bestimmung von krankheitsassoziierten molekularen Markern und deren Expressionsniveau dar.