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Etablierung einer standardisierten Analyse longitudinaler Aβ-PET Scans zur effektiven Evaluation der BACE-Inhibition im transgenen Alzheimer-Mausmodell
Etablierung einer standardisierten Analyse longitudinaler Aβ-PET Scans zur effektiven Evaluation der BACE-Inhibition im transgenen Alzheimer-Mausmodell
Das erste Ziel der Promotionsarbeit war es eine optimale und standardisierte Analyse der Positron Emissions Tomographie in einem transgenen Kleintiermodell der Amyloid Anreicherung zu etablieren. Hierzu erfolgte die Evaluation einer automatisierten räumlichen Normalisierung und einer Intensitätsskalierung zu verschiedenen Referenzregionen. Insgesamt wurden 114 Aβ PET Scans des Mausmodells PS2APP mit dem Tracer FBB angefertigt. Darunter waren 37 Mäuse mit einem Baseline Scan (BL) im Alter von 8 Monaten und einem kurzfristigen Folgescan (FU) im Alter von 9,5 Monate, sowie 40 Scans im Alter von 13-16 Monaten (TER). Die so akquirierten microPET Dateien wurden durch eine starre, manuelle Fusion auf eine zerebrale MRT Vorlage durch drei Analysten mit unterschiedlichem Erfahrungsniveau untersucht. Im Anschluss wurden die Bilder durch Verwendung einer automatisierten, nicht-linearen Transformation auf altersabhängige Schablonen räumlich normalisiert und die Übereinstimmung der Analysten mittels Fleiss Kappa ermittelt. Zur Berechnung der zerebralen Amyloid Last definierten wir, neben dem reinen SUV (CTX), vier Referenzregionen mit den entsprechenden SUVR. Als Referenzregionen bestimmten wir den Hirnstamm (BST), das Zerebellum (CBL), die weiße Substanz (WM) und das gesamte Gehirn (GLM). Die Ergebnisse wurden anhand der longitudinalen Stabilität und der Übereinstimmung mit dem histologischen Goldstandart verglichen. Die räumliche Normalisierung resultierte in einer nahezu perfekten Übereinstimmung der Analysen. Die Korrelation zur Histologie blieb konstant oder verbesserte sich (alle κ ≥ 0.99). Alle SUVR waren der reinen SUV (CTX) überlegen (d ≥1.21 vs. d = 0.23 und R ≥ 0.66 vs. R ≥ 0.31). Eine Analyse der Skalierung zum GBM auf Voxelebene erbrachte einen physiologisch nicht erklärbaren Abfall der SUVR im Bereich des Rautenhirns. Die optimale Referenzregion definierten wir anhand der Korrelation mit der Histologie, der artifizielle Anhebung der Varianz in der Gruppe, der Effektgröße der longitudinalen kortikalen Amyloid Progression, den Effekt der Pathologie in der Referenzregion und den Einfluss einzelner Tiere. In Zusammenschau der untersuchten Qualitäten war die Intensitätsskalierung zur WM den übrigen SUVR überlegen. Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgte im Anschluss, als zweiter Teil, eine multimodale Interventionsstudie zur Untersuchung der Amyloidose unter Therapie mit dem BACE-Inhibitor RO5508887. Hierzu wurden 26 weibliche PS2APP-Swe (TG) und 22 weibliche C57BL/6 (WT) Mäuse im Alter von 9,5 Monaten in einen Placeboarm (TG-VEH) und einen Interventionsarm (TG-BSI) randomisiert. Nach initialer Anfertigung eines Baseline [18F] -FBB PET Scans erfolgte die zweimal tägliche orale Applikation von RO5508887 oder einer entsprechenden Placebolösung über einen Zeitraum von 4 Monaten. Nach 10 und nach 18,5 Wochen wurde jeweils ein FU Scan angefertigt. Im Anschluss an den finalen Scan wurden die Gehirne der Tiere zur histologischen und biochemischen Quantifizierung und Differenzierung entnommen. Der Amyloid Progress war 15.3 ± 4.4% in der Placebo Gruppe und 8.4 ± 2.2% in der Therapiegruppe. Durch die Therapie konnte der Anstieg der Amyloidose signifikant reduziert werden (p<0.001). Diesen Effekt konnte die histologische Analyse in Bezug auf die Plaque-Belastung (-9,7%, p < 0,05) und die Plaque-Dichte (-9,9%, p <0,05) bestätigen. Auch die biochemische Analyse zeiget eine Reduktion des löslichen und unlöslichen Aβ40 ( -47% und -10%), sowie des löslichen und unlöslichen Aβ42 (-61% und -40%). Die akute BACE Inhibition konnte durch eine Reduktion des sAPP-β bei Anstieg des sAPP-α und unveränderten sAPP nachgewiesen werden. Außerdem stellte sich eine negative Korrelation zwischen dem Ausmaß der Amyloidose bei Therapiebeginn und dem Progress unter Therapie dar. Zusätzlich beobachteten wir eine weitere inverse Korrelation zwischen der naiven Amyloid Akkumulation und dem Therapieeffekt. So war die absolute Reduktion der Aβ Deposition unter Behandlung 7,6 ± 1,7% in hoch akkumulierenden Regionen (≥ 10%) und 4,8 ± 2,0% in niedrig akkumulierenden Regionen (<10%). Der relative Behandlungseffekt war 49 ± 11% in hochakkumulierenden Hirnregionen und 69 ± 28% in Regionen mit geringer naiver Akkumulation. In Regionen mit niedrigem, naivem Progresse konnte ein Schwellenwert der regionale Depositionsrate von 3,7%/18,5 Wochen bestimmt werden, unterhalb dem eine vollständige Blockierung der weiteren Signalzunahme angenommen werden kann. Zusammenfassend stellten wir die Überlegenheit einer Analyse von longitudinalen Aβ PET Daten im Mausmodell durch Verwendung einer räumlichen Normalisierung und einer SUVR mit Skalierung zur WM dar. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten wir im Anschluss zeigen, dass der Therapieeffekt einer BACE Inhibition auf den Progress der zerebralen Amyloidose von der Aβ-Last bei Therapiebeginn abhängig ist.
Alzheimer, BACE1 inhibitor, transgenic AD mouse model, [18F]-florbetaben PET
Overhoff, Felix
2021
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Overhoff, Felix (2021): Etablierung einer standardisierten Analyse longitudinaler Aβ-PET Scans zur effektiven Evaluation der BACE-Inhibition im transgenen Alzheimer-Mausmodell. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Das erste Ziel der Promotionsarbeit war es eine optimale und standardisierte Analyse der Positron Emissions Tomographie in einem transgenen Kleintiermodell der Amyloid Anreicherung zu etablieren. Hierzu erfolgte die Evaluation einer automatisierten räumlichen Normalisierung und einer Intensitätsskalierung zu verschiedenen Referenzregionen. Insgesamt wurden 114 Aβ PET Scans des Mausmodells PS2APP mit dem Tracer FBB angefertigt. Darunter waren 37 Mäuse mit einem Baseline Scan (BL) im Alter von 8 Monaten und einem kurzfristigen Folgescan (FU) im Alter von 9,5 Monate, sowie 40 Scans im Alter von 13-16 Monaten (TER). Die so akquirierten microPET Dateien wurden durch eine starre, manuelle Fusion auf eine zerebrale MRT Vorlage durch drei Analysten mit unterschiedlichem Erfahrungsniveau untersucht. Im Anschluss wurden die Bilder durch Verwendung einer automatisierten, nicht-linearen Transformation auf altersabhängige Schablonen räumlich normalisiert und die Übereinstimmung der Analysten mittels Fleiss Kappa ermittelt. Zur Berechnung der zerebralen Amyloid Last definierten wir, neben dem reinen SUV (CTX), vier Referenzregionen mit den entsprechenden SUVR. Als Referenzregionen bestimmten wir den Hirnstamm (BST), das Zerebellum (CBL), die weiße Substanz (WM) und das gesamte Gehirn (GLM). Die Ergebnisse wurden anhand der longitudinalen Stabilität und der Übereinstimmung mit dem histologischen Goldstandart verglichen. Die räumliche Normalisierung resultierte in einer nahezu perfekten Übereinstimmung der Analysen. Die Korrelation zur Histologie blieb konstant oder verbesserte sich (alle κ ≥ 0.99). Alle SUVR waren der reinen SUV (CTX) überlegen (d ≥1.21 vs. d = 0.23 und R ≥ 0.66 vs. R ≥ 0.31). Eine Analyse der Skalierung zum GBM auf Voxelebene erbrachte einen physiologisch nicht erklärbaren Abfall der SUVR im Bereich des Rautenhirns. Die optimale Referenzregion definierten wir anhand der Korrelation mit der Histologie, der artifizielle Anhebung der Varianz in der Gruppe, der Effektgröße der longitudinalen kortikalen Amyloid Progression, den Effekt der Pathologie in der Referenzregion und den Einfluss einzelner Tiere. In Zusammenschau der untersuchten Qualitäten war die Intensitätsskalierung zur WM den übrigen SUVR überlegen. Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgte im Anschluss, als zweiter Teil, eine multimodale Interventionsstudie zur Untersuchung der Amyloidose unter Therapie mit dem BACE-Inhibitor RO5508887. Hierzu wurden 26 weibliche PS2APP-Swe (TG) und 22 weibliche C57BL/6 (WT) Mäuse im Alter von 9,5 Monaten in einen Placeboarm (TG-VEH) und einen Interventionsarm (TG-BSI) randomisiert. Nach initialer Anfertigung eines Baseline [18F] -FBB PET Scans erfolgte die zweimal tägliche orale Applikation von RO5508887 oder einer entsprechenden Placebolösung über einen Zeitraum von 4 Monaten. Nach 10 und nach 18,5 Wochen wurde jeweils ein FU Scan angefertigt. Im Anschluss an den finalen Scan wurden die Gehirne der Tiere zur histologischen und biochemischen Quantifizierung und Differenzierung entnommen. Der Amyloid Progress war 15.3 ± 4.4% in der Placebo Gruppe und 8.4 ± 2.2% in der Therapiegruppe. Durch die Therapie konnte der Anstieg der Amyloidose signifikant reduziert werden (p<0.001). Diesen Effekt konnte die histologische Analyse in Bezug auf die Plaque-Belastung (-9,7%, p < 0,05) und die Plaque-Dichte (-9,9%, p <0,05) bestätigen. Auch die biochemische Analyse zeiget eine Reduktion des löslichen und unlöslichen Aβ40 ( -47% und -10%), sowie des löslichen und unlöslichen Aβ42 (-61% und -40%). Die akute BACE Inhibition konnte durch eine Reduktion des sAPP-β bei Anstieg des sAPP-α und unveränderten sAPP nachgewiesen werden. Außerdem stellte sich eine negative Korrelation zwischen dem Ausmaß der Amyloidose bei Therapiebeginn und dem Progress unter Therapie dar. Zusätzlich beobachteten wir eine weitere inverse Korrelation zwischen der naiven Amyloid Akkumulation und dem Therapieeffekt. So war die absolute Reduktion der Aβ Deposition unter Behandlung 7,6 ± 1,7% in hoch akkumulierenden Regionen (≥ 10%) und 4,8 ± 2,0% in niedrig akkumulierenden Regionen (<10%). Der relative Behandlungseffekt war 49 ± 11% in hochakkumulierenden Hirnregionen und 69 ± 28% in Regionen mit geringer naiver Akkumulation. In Regionen mit niedrigem, naivem Progresse konnte ein Schwellenwert der regionale Depositionsrate von 3,7%/18,5 Wochen bestimmt werden, unterhalb dem eine vollständige Blockierung der weiteren Signalzunahme angenommen werden kann. Zusammenfassend stellten wir die Überlegenheit einer Analyse von longitudinalen Aβ PET Daten im Mausmodell durch Verwendung einer räumlichen Normalisierung und einer SUVR mit Skalierung zur WM dar. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten wir im Anschluss zeigen, dass der Therapieeffekt einer BACE Inhibition auf den Progress der zerebralen Amyloidose von der Aβ-Last bei Therapiebeginn abhängig ist.