Advanced

Natural sugar as an MRI contrast agent for brain cancer detection using chemical exchange saturation transfer (CEST) imaging at 3T

Seidemo, Anina (2018) MSFT01 20181
Medical Physics Programme
Abstract (Swedish)
Hjärntumörer utgör cirka 2,5% av alla cancerdiagnoser i Sverige (2013) och femårsöverlevnaden är cirka 50%. Hjärntumörer diagnostiseras med bildtagningstekniker såsom datortomografi (CT), positronemissionstomografi (PET) och magnetkamera (MR). En MR-bild byggs upp av signaler från protoner i vatten, som är en av människokroppens vanligaste beståndsdelar. För att möjliggöra diagnostisering och klassificering av tumörer används ett kontrastmedel som sprutas in i blodet, och på så vis kan information om blodflödet i hjärnan och framförallt i tumören erhållas. De MR-kontrastmedel som används är i regel väldigt säkra men kan påverka vissa patientgrupper negativt och på senare år har det påvisats att de kan ansamlas i vissa vävnader efter... (More)
Hjärntumörer utgör cirka 2,5% av alla cancerdiagnoser i Sverige (2013) och femårsöverlevnaden är cirka 50%. Hjärntumörer diagnostiseras med bildtagningstekniker såsom datortomografi (CT), positronemissionstomografi (PET) och magnetkamera (MR). En MR-bild byggs upp av signaler från protoner i vatten, som är en av människokroppens vanligaste beståndsdelar. För att möjliggöra diagnostisering och klassificering av tumörer används ett kontrastmedel som sprutas in i blodet, och på så vis kan information om blodflödet i hjärnan och framförallt i tumören erhållas. De MR-kontrastmedel som används är i regel väldigt säkra men kan påverka vissa patientgrupper negativt och på senare år har det påvisats att de kan ansamlas i vissa vävnader efter upprepade undersökningar (6-9). Metoden begränsas även av att inte alla tumörer tar upp kontrastmedlet.

Nackdelarna med den nuvarande metoden skapar ett behov av en ny typ av kontrastmedel. CEST (Chemical Exchange Saturation Transfer) är en teknik som innebär att små mängder av ett ämne kan detekteras med magnetkamera. CEST-tekniken öppnar upp för användning av andra typer av kontrastmedel, exempelvis kan kroppsegna ämnen, såsom vissa proteiner som är vanliga i tumörer, detekteras. Dessutom kan vanligt socker (glukos) injiceras och användas som kontrastmedel, en teknik som kallas för glucoCEST. Socker är väl lämpat för användning som kontrastmedel, dels eftersom det är en naturlig del av vår kost, men också för att tumörer ofta har ett ökat energibehov. GlucoCEST-tekniken bygger på att protoner i sockret märks magnetiskt med en radiofrekvent puls. Därefter sker ett utbyte mellan de märkta protonerna och omärkta protoner i fritt vatten vilket leder till att MR-signalen ändras där glukos är närvarande. Genom att injicera glukos intravenöst samtidigt som patienten ligger i kameran kan en bild som ger information om blodflödet i hjärnan skapas.

I det här projektet implementeras glucoCEST-tekniken på en magnetkamera i kliniskt bruk, vilket inte har gjorts tidigare i Sverige. Både friska frivilliga och patienter med hjärntumör deltog i studien. Genom att analysera blodprover som tas kontinuerligt under undersökningen kan blodsockervärdet jämföras med den ändring i MR-signalen som fås då sockret sprutas in och når hjärnan. Resultaten jämförs med data från ett forskningsprojekt utfört vid en magnetkamera med högre magnetfält.

En ändring av MR-signalen, som generellt sett följde ändringen av blodglukosnivån, kunde ses i alla deltagare (framförallt i blodkärl), men det är ännu inte helt klart vilka fysiologiska parametrar som kan extraheras ur glucoCEST-bilderna. Resultatet av studien indikerar att glucoCEST har potential att bli ett alternativ eller komplement till konventionella kontrastmedel, även om mycket arbete kvarstår. Sammanfattningsvis
har det här projektet tagit ett första steg mot klinisk implementering av glucoCEST-tekniken. (Less)
Popular Abstract
Background and Purpose: Dynamic glucose-enhanced (DGE) imaging is a novel technique that
can be used to assess information about microvasculature by using natural sugar (D-glucose) as a
biodegradable contrast agent. The method relies on chemical exchange saturation transfer (CEST). The hydroxyl protons in glucose are saturated using a selective radio-frequent pulse and will subsequently exchange with non-saturated water protons. This approach, called glucoCEST, will lower the water signal so that the presence of glucose can be studied through its saturation effect on the water signal. DGE is an approach in which glucoCEST is applied dynamically to track glucose response over time. Earlier studies (1-4) have successfully shown that... (More)
Background and Purpose: Dynamic glucose-enhanced (DGE) imaging is a novel technique that
can be used to assess information about microvasculature by using natural sugar (D-glucose) as a
biodegradable contrast agent. The method relies on chemical exchange saturation transfer (CEST). The hydroxyl protons in glucose are saturated using a selective radio-frequent pulse and will subsequently exchange with non-saturated water protons. This approach, called glucoCEST, will lower the water signal so that the presence of glucose can be studied through its saturation effect on the water signal. DGE is an approach in which glucoCEST is applied dynamically to track glucose response over time. Earlier studies (1-4) have successfully shown that glucoCEST and DGE can be used for tumor imaging at higher field strengths and the translation to clinical field strengths (3 T) is ongoing.

The aim of this master thesis project was to implement glucoCEST at 3 T and to compare dynamic response curves in arteries, so called arterial input functions (AIFs), to blood glucose levels sampled over the same time period. A secondary goal was to compare DGE images from this study with DGE images from a 7 T-study. Materials and Methods: 3 healthy volunteers and 2 patients were scanned on a 3 T scanner (Siemens Prisma) and 50 mL D-glucose (50% dextrose) were manually administered intravenously after 3 minutes of imaging. The infusion duration was approximately 1 minute and the total scan time was 15 minutes. To acquire glucoCEST images, RF-pulses were applied at a saturation offset of 2 ppm. A single axial slice of the brain was imaged dynamically using a single-shot turbo gradient echo. Blood samples were collected at predefined time points to enable monitoring of blood glucose levels as a function of time following the glucose infusion. DGE images were created by calculating the signal difference between each dynamic image and the averaged pre-infusion image. Dynamic response curves were calculated in chosen regions of interest (ROIs) in an artery and in white matter, and were compared to blood glucose curves.

Results and Discussion: The DGE images acquired at 3 T showed a change in the water signal after glucose infusion in all subjects. The signal change in a cerebral artery, which was attributed to the altered glucose concentration, did generally correspond to the change in blood glucose level in a peripheral vein. Enhancement of the tumor region was seen in one patient. Each subject showed an individual response to the glucose infusion, addressed to the variance in metabolism and insulin response between subjects. GlucoCEST at 7 T had a higher specificity, but the results indicate that the method works well also at 3 T.Conclusion: The results showed that glucoCEST and DGE are feasible at 3 T. The study indicates that tumor enhancement is possible, but due to the low number of participants (3 healthy volunteers, 2 patients) the project should be continued by scanning more patients and optimizing the method further. Possible improvements to the method could be to improve the CEST-sequence, by for example extend the saturation duration and include CSF suppression, and to implement a kinetic model for calculation of perfusion parameters. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Seidemo, Anina
supervisor
organization
course
MSFT01 20181
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
8962590
date added to LUP
2018-10-29 20:49:54
date last changed
2018-11-01 15:10:50
@misc{8962590,
  abstract     = {Hjärntumörer utgör cirka 2,5% av alla cancerdiagnoser i Sverige (2013) och femårsöverlevnaden är cirka 50%. Hjärntumörer diagnostiseras med bildtagningstekniker såsom datortomografi (CT), positronemissionstomografi (PET) och magnetkamera (MR). En MR-bild byggs upp av signaler från protoner i vatten, som är en av människokroppens vanligaste beståndsdelar. För att möjliggöra diagnostisering och klassificering av tumörer används ett kontrastmedel som sprutas in i blodet, och på så vis kan information om blodflödet i hjärnan och framförallt i tumören erhållas. De MR-kontrastmedel som används är i regel väldigt säkra men kan påverka vissa patientgrupper negativt och på senare år har det påvisats att de kan ansamlas i vissa vävnader efter upprepade undersökningar (6-9). Metoden begränsas även av att inte alla tumörer tar upp kontrastmedlet. 

Nackdelarna med den nuvarande metoden skapar ett behov av en ny typ av kontrastmedel. CEST (Chemical Exchange Saturation Transfer) är en teknik som innebär att små mängder av ett ämne kan detekteras med magnetkamera. CEST-tekniken öppnar upp för användning av andra typer av kontrastmedel, exempelvis kan kroppsegna ämnen, såsom vissa proteiner som är vanliga i tumörer, detekteras. Dessutom kan vanligt socker (glukos) injiceras och användas som kontrastmedel, en teknik som kallas för glucoCEST. Socker är väl lämpat för användning som kontrastmedel, dels eftersom det är en naturlig del av vår kost, men också för att tumörer ofta har ett ökat energibehov. GlucoCEST-tekniken bygger på att protoner i sockret märks magnetiskt med en radiofrekvent puls. Därefter sker ett utbyte mellan de märkta protonerna och omärkta protoner i fritt vatten vilket leder till att MR-signalen ändras där glukos är närvarande. Genom att injicera glukos intravenöst samtidigt som patienten ligger i kameran kan en bild som ger information om blodflödet i hjärnan skapas.

I det här projektet implementeras glucoCEST-tekniken på en magnetkamera i kliniskt bruk, vilket inte har gjorts tidigare i Sverige. Både friska frivilliga och patienter med hjärntumör deltog i studien. Genom att analysera blodprover som tas kontinuerligt under undersökningen kan blodsockervärdet jämföras med den ändring i MR-signalen som fås då sockret sprutas in och når hjärnan. Resultaten jämförs med data från ett forskningsprojekt utfört vid en magnetkamera med högre magnetfält. 

En ändring av MR-signalen, som generellt sett följde ändringen av blodglukosnivån, kunde ses i alla deltagare (framförallt i blodkärl), men det är ännu inte helt klart vilka fysiologiska parametrar som kan extraheras ur glucoCEST-bilderna. Resultatet av studien indikerar att glucoCEST har potential att bli ett alternativ eller komplement till konventionella kontrastmedel, även om mycket arbete kvarstår. Sammanfattningsvis
har det här projektet tagit ett första steg mot klinisk implementering av glucoCEST-tekniken.},
  author       = {Seidemo, Anina},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Natural sugar as an MRI contrast agent for brain cancer detection using chemical exchange saturation transfer (CEST) imaging at 3T},
  year         = {2018},
}