Neuroonkologische Bildgebung

PD Dr. med. Dipl.-Phys. Daniel Paech

Geschäftsführender Oberarzt
Facharzt für Radiologie, Neuroradiologie

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Die Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST)-MRT ist ein indirekter Ansatz zur Visualisierung von Proteindichteverteilungen und –konformationen: Metabolit-gebundene Protonen, die im chemischen Austausch mit den Protonen des freien Wassers stehen, werden durch Applikation elektromagnetischer Hoch-frequenzpulse im MRT selektiv markiert und dadurch messbar.

Gegenstand der Forschung ist es zu untersuchen, ob Protein-gewichtete CEST-Kontraste eine Vorhersage histologischer und molekularer Charakteristika ermöglichen. In mehreren, Pilotstudien konnten bereits deutliche Signal-Assoziationen verschiedener CEST-Metriken mit dem Isocitrat-Dehydrogenase (IDH)-Mutationsstatus bei Gliompatienten nachgewiesen werden. Ferner wurde eine Korrelation zwischen CEST Signal und dem progressionsfreien Überleben sowie Gesamtüberleben der Patienten nachgewiesen. Dadurch könnte die CEST MRT bei onkologischen Patienten wichtige Beiträge zur individuellen Therapieplanung sowie Verlaufsbeurteilung liefern.

Am Universitätsklinikum Bonn stehen der Klinik für Neuroradiologe mehrere 3T MRT-Systeme zur Verfügung, die u.a. den Einsatz einer CE-zertifizierten CEST Sequenz zur Messung des Amid-Proton-Transfers (APT) in klinischen Routineprotokollen erlauben.

Ausgewählte Publikationen:

• Paech D, Radbruch A. (2020) New York: Springer, Cham. CEST, pH and glucose imaging as markers for hypoxia and malignant transformation. (book chapter in “Glioma imaging”, W. Pope, UCLA, USA.)
• Paech D et al. (2019), European Radiology.  Relaxation-compensated amide proton transfer (APT) MRI signal intensity is associated with survival and progression in high-grade glioma patients.               
• Paech D et al. (2018), Neuro-Oncology. Assessing the predictability of IDH mutation and MGMT methylation status in glioma patients using relaxation-compensated multi-pool CEST MRI at 7T.
• von Knebel Doeberitz N, …, and Paech D. (2021) Radiologe. Chemical exchange saturation transfer (CEST) Magnetic resonance imaging in diagnostic oncology. [Deutschsprachige Veröffentlichung]
• Meissner J, …, and Paech D. (2019) J Magn Reson Imaging.  Early response assessment of glioma patients to definitive chemoradiotherapy using Chemical Exchange Saturation Transfer imaging at 7T.
• Regnery S, …, and Paech D. (2018) Oncotarget.  Chemical exchange saturation transfer MRI serves as predictor of early progression in glioblastoma patients.
• Zaiss M et al. (2015), NeuroImage. Relaxation-compensated CEST-MRI of the human brain at 7 T: Unbiased insight into NOE and amide signal changes in human glioblastoma.

Abb.1: Glukose-verstärkte Magnetresonanztomographie bei einem Patienten mit histologisch gesichertem Glioblastom. a) T2-gewichtetes Bild, b) Gadoliniumverstärktes T1-gewichtetes Bild (GdCE-T1w), c) Fusion des GdCE-T1w-Bildes und des T1ρ-gewichteten dynamischen Glukose-verstärkten (DGEρ) Bildes bei 7 Tesla (7T Ganzkörpertomograph am dkfz, Heidelberg). In der Tumorregion sind erhöhte Glukosekonzentrationen abgrenzbar. Abbildung reproduziert von Nature Scientific Reports (open access): Schuenke, P., Paech, D., Koehler, C. et al. Fast and Quantitative T1ρ-weighted Dynamic Glucose Enhanced MRI. Sci Rep 7, 42093 (2017). https://doi.org/10.1038/srep42093

Neben Messung endogener Proteine können „chemical-exchange“ – sensitive MRT-Techniken auch zur Detektion exogener Agenzien eingesetzt werden, um gezielt Informationen über die Gewebephysiologie oder auch das pathologisch veränderte Mikromilieu von Tumoren zu gewinnen. In Pilotstudien konnte durch eine Kombination von adiabatischen Spin-Lock-Pulsen (Chemical Exchange sensitiver Spin-Lock = CESL) und T1ρ-gewichteten Sequenzen eine Glukose-verstärkte MR-Bildgebung zur Detektion intravenös applizierte Glukose im menschlichen Gehirn etabliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Verfahren die physiologische Glukoseaufnahme im menschlichen Gehirn sowie die pathophysiologisch gesteigerte Glukosekonzentration im Tumor abbildet, was einen potenziellen Mehrwert in der radiologischen Diagnostik bedeuten könnte.

Ausgewählte Publikationen:

• Paech D, Radbruch A. (2021) Magn Reson Imaging Clin N Am. (2021) Dynamic Glucose-Enhanced MR Imaging. 
• Schuenke P, …, Paech D, …, Zaiss M. (2017) Magnetic resonance in medicine. Adiabatically prepared spin‐lock approach for T1ρ‐based dynamic glucose enhanced MRI at ultrahigh fields.
• Schuenke P, Paech D, et al. (2017), Nature Scientific Reports. Fast and quantitative T1ρ-weighted dynamic glucose enhanced MRI.
• Paech D, ..., Radbruch A. (2017) Radiology. T1ρ -weighted dynamic glucose enhanced MRI in the human brain.            
• Paech D, Schuenke P. (2018), Nachrichten Chemie. Glukoseverstärkte Magnetresonanz. [Deutschsprachige Veröffentlichung]

Gliome sind die häufigsten primären intraaxialen Neoplasien beim Erwachsenen. Während Gewebebiopsien zu einem bestimmten Zeitpunkt der Tumordiagnose notwendig sind, eignen sie sich aufgrund ihres invasiven Charakters nicht für die Verlaufskontrolle. Infolgedessen können diese Techniken in der Regel nur Informationen über einen einzigen Zeitpunkt und ein kleines (Proben)-Volumen liefern.

MRT-Daten enthalten Informationen, die weit über die Morphologie hinausgehen und bis auf die Ebene der Gewebemikrostruktur und metabolischer Eigenschaften reichen. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe „Computational Neuroradiology“ des Universitätsklinikums Bonn unter der Leitung von Dr. Markus Schirmer werden mittels Methoden des Maschinellen Lernens Algorithmen entwickelt, die bei der nicht-invasiven Vorhersage / Verlaufskontrolle histopathologische Eigenschaften unterstützen sollen.

Zum Trainieren der Algorithmen werden MRT-Daten bewegungskorrigiert, segmentiert und mit den Daten von Gewebeanalysen co-registriert. Die Kombination von intelligenten automatisierten Analysen und MRT soll perspektivisch neue Erkenntnisse über die Pathophysiologie des Glioms liefern und die Notwendigkeit invasiver diagnostischer Verfahren reduzieren helfen.

Mit den Kollegen der neuroonkologischen Klinik (Prof. Dr. Herrlinger) werden neben den wissenschaftlichen Arbeiten zu Gliomen auch Ursachen und frühe Vorhersagbarkeit von Neurotoxizität, insbesondere bei der Therapie primärer ZNS-Lymphome erforscht.

• Universitätsklinikum Bonn
  • Neurologie (Prof. Dr. Thomas Klockgether)
     
  • Neuroonkologie (Prof. Dr. Ulrich Herrlinger)
    • PD Dr. Christina Schaub
    • Dr. Thomas Zeyen
       
  • Neurochirurgie (Prof. Dr. Hartmut Vatter)
    • Dr. Sevgi Sarikaya-Seiwert
    • Dr. Matthias Schneider
    • Dr. Dr. Johannes Wach, MBA
       
  • Strahlentherapie (Prof. Dr. Frank Giordano)
  • Klinik und Poliklinik für Epileptologie (Prof. Dr. Rainer Surges)
    • PD Dr. Theodor Rüber
       
• Deutsche Zentren für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) Bonn
  • AG Klinische Neurobildgebung (Prof. Dr. Alexander Radbruch)
  • AG Bildanalyse (Prof. Dr. Martin Reuter)
  • AG MR Physik (Prof. Dr. Tony Stöcker)
     
• Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg
  • Radiologie (Prof. Dr. Heinz-Peter Schlemmer)
  • Medizinische Physik in der Radiologie (Prof. Dr. Mark Ladd)
  • Medical Image Computing (Prof. Dr. Klaus Maier-Hein)