19F MRI and molecular imaging: optimization and application in multimodal in-vivo brain cell-tracking

In the last decade, 19F MRI has gained growing importance in Molecular Imaging (MI) thanks to favorable physical properties. 19F compounds have been recently introduced as cellular markers, to track cell migration in inflammation and immunologic processes (dendritic cells, macrophages, etc.) as well as regeneration processes (stem cells). The low sensitivity of this technique, compared to nuclear medicine imaging modalities, poses hard challenges in order to increase the detection limits of 19F MRI for in vivo studies. The major goal of this thesis is to develop and apply simple numerical methods to optimize MR sequences in order to improve sensitivity in 19F MRI studies. The optimization strategy was mainly focused on Fast Spin Echo Sequences (RARE). Sequence parameters were optimized based on the actual relaxation times of the fluorinated compounds in different biological environments. A preliminary optimization protocol was also suggested for Gradient Echo Sequences (GRE) and a comparison between RARE and GRE was presented. The experimental validation of the optimization protocol with 19F MRI scans is in good agreement with the theoretical basis. A multimodal imaging approach, combining 19F MRI and BLI, was also explored to assess the fate of transgenic human neuronal stem cells implanted in mouse brains. A framework for automatic BLI processing and analysis, based on automatic segmentation algorithms, was proposed and applied for in vivo longitudinal BLI studies. Combined BLI and 19F MRI yielded both the functional information of the former and the non-invasive volume localization of the latter. Biological interference of the two modalities was studied and results were also validated by immunostaining.

Recentemente la 19F-MRI ha acquisito via via una crescente importanza nell’Imaging Molecolare (MI) grazie alle favorevoli proprietà fisiche del nucleo 19F. Importanti applicazioni in MI sono state sviluppate negli ultimi anni. Composti fluorurati sono stati recentemente introdotti come marcatori cellulari, sia per lo studio di processi infiammatori e immunologici sia per lo studio della migrazione di cellule impiantate (cellule dendritiche, macrofagi, cellule staminali ecc.). La bassa sensibilità di questa tecnica, rispetto a modalità di imaging di medicina nucleare, pone sfide difficili per incrementare i limiti di rivelazione della 19F MRI in studi in vivo. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di sviluppare e applicare metodi numerici semplici per ottimizzare le sequenze 19F MRI, al fine di migliorare la sensibilità in termini di rapporto segnale rumore. La strategia di ottimizzazione si è focalizzata principalmente su sequenze Fast Spin Echo (RARE). I parametri della sequenza sono stati ottimizzati in base ai tempi di rilassamento effettivi dei composti fluorurati valutati in differenti ambienti biologici. Un protocollo preliminare di ottimizzazione è stato anche suggerito per sequenze Gradient Echo (GRE) e un confronto tra RARE e GRE è stato presentato. La validazione sperimentale del protocollo di ottimizzazione per 19F MRI è in buon accordo con le simulazioni e le basi teoriche. Un approccio di imaging multimodale, che combina 19F MRI e BLI, è stato esplorato per valutare l’efficacia dell’impianto di cellule staminali neuronali umane transgeniche in cervello di topi. Un protocollo per l’elaborazione e analisi di immagini a bioluminescenza, basato su algoritmi di segmentazione automatici, è stato proposto e applicato in vivo in studi longitudinali di BLI. La 19F MRI consente di ottenere informazioni sulla localizzazione spaziale delle cellule nel tessuto in modo quantitativo e non invasivo; queste in combinazione con le informazioni funzionali fornite dalla BLI contribuiscono a migliorare la conoscenza di importanti processi biologici.