Experimental models of focal neuroinflammation - Efficacy assessment of pharmaceuticals of multiple sclerosis using PET imaging

Abstract

Neuroinflammation (NI) is a key player in neurodegenerative diseases, such as multiple sclerosis (MS). Magnetic resonance imaging is the gold standard imaging method for diagnosis of MS, however, better diagnostic tools are needed for the follow-up of disease progression, earlier diagnosis, and assessment of patients’ response to therapy. Positron emission tomography (PET) is a sensitive and selective functional imaging method for investigating mechanisms of diseases at a molecular level. NI can be visualised in PET by targeting the 18 kDa translocator protein (TSPO), which is upregulated during NI on the mitochondria of glial cells.

This study aimed to evaluate the properties of [18F]GE-180, a 2nd generation TSPO PET radiotracer, in a unilateral model of acute NI and evaluate the efficacy of immunomodulatory drugs, anti-VLA-4 and dimethyl fumarate (DMF), in two different focal rat models of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), the fDTH-EAE and fMOG-EAE models. The applied methods were in vivo PET imaging, digital autoradiography, and immunohistochemical (IHC) staining.

Study I indicated improved binding potential of [18F]GE-180 over the 1st generation tracer [11C]PK11195 and showed that the unilateral model of acute NI is suitable for the evaluation of novel PET tracers of NI. Study II indicated that anti- VLA-4 had no short-term treatment effects in the fDHT-EAE-rat model. However, discontinuation of the treatment caused a rebound that could be detected with [18F]GE-180. Study III showed, that short-term, but not long-term, DMF treatment decreases uptake of [18F]GE-180 in the fDTH-EAE rat model, and no rebound effect was detected after halting the treatment for 10 weeks. Nevertheless, the efficacy of DMF was detected using IHC for CD4+ and CD8+ cells. No DMF treatment effect was observed in the fMOG-EAE model.

In conclusion, focal animal models of NI are applicable for evaluating novel PET tracers. Furthermore, efficacy assessment of immunomodulatory drugs can be evaluated using TSPO PET when the tracer is binding to the same biomarker that the drug is affecting

<b>Pesäkkeisen aivotulehduksen kokeelliset mallit – multippeliskleroosin lääkkeiden vaikuttavuuden arviointi käyttäen PETkuvantamista</b>

Keskushermoston tulehdus on tila, joka ilmenee useissa hermorappeumasairauksissa, kuten pesäkekovettumataudissa (MS-tauti). MS-taudin kuvantamisdiagnostiikan ensisijainen menetelmä on magneettikuvaus, mutta uusia diagnostisia menetelmiä tarvitaan taudin mahdollisimman varhaiseksi toteamiseksi, etenemisen seuraamiseksi, ja uusien lääkehoitojen tehon arvioimiseksi. Positroniemissiotomografia (PET) on kajoamaton kuvantamismenetelmä, jonka avulla on mahdollista seurata aivojen tulehdusreaktiota hyödyntämällä tulehduksen aikana yliilmentyvään translokaatioproteiiniin (TSPO) sitoutuvia PET-merkkiaineita.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli verrata TSPO-molekyyliin sitoutuvan toisen sukupolven PET-merkkiaineen ([18F]GE-180) sekä jo käytössä olevan merkkiaineen ([11C]PK11195) ominaisuuksia akuutin tulehduksen rottamallissa. Lisäksi tavoitteena oli arvioida immuunivastetta muokkaavien lääkkeiden, anti-VLA-4:n ja dimetyylifumaraatin, tehokkuutta lyhyt- ja pitkäaikaishoidossa fDTH-EAE- ja fMOG-EAE-malleissa, joissa rotille aiheutetaan pesäkkeinen autoimmuunienkefalomyeliitti. Tulehdusreaktiossa tapahtuvia muutoksia seurattiin hyödyntäen in vivo [18F]GE-180-PET-kuvantamista, autoradiografiaa, sekä kudosvärjäyksiä.

Ensimmäisessä osatyössä [18F]GE-180-merkkiaineen havaittiin soveltuvan [11C]PK11195-merkkiainetta paremmin aivotulehduksen kuvantamiseen eläinmalleissa: aivojen tulehdusalue oli merkittävästi suurempi ja merkkiaineen sitoutumiskyky ja spesifisyys parempi. Toisessa osatyössä anti-VLA-4-lääkehoidon vaikutusta ei ollut mahdollista seurata [18F]GE-180-PET-kuvantamisella fDTHEAE-mallin kroonisen tulehduksen vaiheessa. Hoidon lopettamisen jälkeen ilmenevä voimakas tulehduksen uudelleenaktivoituminen oli kuitenkin mahdollista havaita PET-kuvauksella. Kolmannessa osatyössä dimetyylifumaraatin havaittiin hillitsevän tulehdusta fDTH-EAE-mallissa lyhytaikaishoidossa yhden viikon hoidon jälkeen, mutta ei enää myöhemmissä aikapisteissä, eikä fMOG-EAE-mallissa.

Tämä väitöskirjatutkimus osoitti, että pesäkkeisen tulehduksen rottamalleja voidaan hyödyntää uusien tulehdusta kuvantavien PET-merkkiaineiden, sekä immuunivastetta muokkaavien lääkkeiden tehokkuuden arvioinnissa.