Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Dosimetrische Untersuchungen zu Strahlenbelastung und Strahlenwirkung bei [Mikro]CT- und [Mikro]PET-Untersuchungen an transgenen Mausmodellen

Böhm, Claudia

In the Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine (ITEM) in Hannover, tumor studies with micro-computed tomography (μCT) and micro-positron emission tomography (μPET) are conducted in c-raf mice. For this purpose mice are scanned with the μCT (GE Locus μCT, GE Healthcare) and μPET (explore Optix OptiView, GE Healthcare) regularly. With the μCT the tumor is characterized concerning size, shape, and anatomic location while in the μPET metablolic activity is evaluated. The obtained results assist in grading tumor formation and growth especially in the lung. In general, animals are scanned every 14 days. Using optical imaging provides an opportunity to document the progress of the disease without having to euthanatize a subgroup of animals for each time point. Therefore, the number of animals needed for a study is greatly reduced. The purpose of this study was a more precise estimation of the radiation dose applied to laboratory animals in the μCT and μPET as well as an evaluation of the relationship between dose and tumor incidence. Thermoluminescence dosimeter (TLD, type TLD-100H) were used to measure the radiation dose. A PMMA phantom was used to conduct the measurements in a μCT owned by the Fraunhofer ITEM. At each time point the PMMA phantom was loaded with new TLD and different scan protocols were performed with six repetitions each. Experimental values were multiplied by calibration factors and converted into KERMA. With six repetitions the mean value for protocol 2 was between 162.7 mGy (± 3.0) in the direct path of rays. The overall dose for a three-month study during which the mice were scanned approximately six times was calculated by adding the individual doses. The overall dose varies between 1.27 and 1.42 Gy depending on the position of the phantom in the μCT and on the protocol (1.27 Gy in a two minute and 1.42 Gy in a three minute exposure). The overall dose for a long-term study over six months during which the mice were scanned approximately 12 times varied between 2.55 and 2.85 Gy depending on the position of the phantom in the μCT and protocol. The overall dose for this study was calculated by adding the individual doses. For dose measurements in the mouse cadavers 14 TLD were positioned on the inside and outside of the cadaver for each scan. The mean dose in the lungs was calculated with regard to the TLD in the inner and outer lung field. For the μCT- studies over three months and six months the mean dose was calculated to be 1.28 Gy and 2.57 Gy, respectively. In the Fraunhofer ITEM μCT and μPET scans are performed simultaneously. For this purpose nine TLD were placed on each of six mice prior to the application of the radiopharmaceutical 18F-FDG and left in place for up to 75 minutes. Doses on the surface of the mouse were assessed to be between 5.4 mGy (TLD- position head) and 8.8 mGy (TLD-position abdomen). The calculated values close to the urinary bladder showed doses of ca. 30 mGy. Due to the fact that the 18F-FDG is filtrated through the glomerular capillaries and accumulated in the bladder the doses were expected to be higher than those recorded for other calculations. For the calculation of the total dose for mice in the μPET also the positron radiation had to be considered. The TLD were not able to measure the positron radiation. The total calculated dose for mice in μPET was therefore 143 mGy. This dose had a good compliance to the theoretical dose of the Monte Carlo method with 140 mGy (TASCHEREAU u. CHATZIIOANNOU 2007). To gain a better insight into the anatomic relations reflected in the μPET pictures, mice were additionally scanned with the μCT. Therefore, the overall dose per mouse was calculated based on μPET and μCT values. These values were assessed to be between 2.11 and 2.26 Gy for the three months study based on the settings of the μCT and positioning of the phantom. For the six months study the values had a range between 4.23 and 4.53 Gy. Depending on positioning in the μCT and program the differences in dose measurements revealed a value of 0.43 Gy per minute of exposure to rays during the long-term study. Consequently, the data reflects the necessity to practice with cadavers until the person placing the mouse in the μCT is skilled enough to handle living mice. The data collected during this study shows that the 4.5 Gy radiation dose mice are exposed to during a long-term study (six months) is significant. According to COGGLE (1988) the tumor incidence in albino outbred mice (SAS/4) is determined to be 15 percent if an exposure dose of 4.5 Gy has been applied over a time span of six months. To sum up, the radiation dose during a long-term study has the potential to influence the development and growth of the tumor. For a more precise estimate of the incidence of tumors induced by radiation a similar study to that reported by COGGLE in 1988 with the same breed of laboratory mice (C47/BL6).

Im Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) in Hannover werden Tumorstudien im Mikro-Computertomographen (μCT) und im Mikro-Positronen-Emissions-Tomographen (μPET) an C-Raf-Mäusen durchgeführt. Hierfür werden die Mäuse regelmäßig im μCT (GE Locus μCT, GE Healthcare) und im μPET (explore Optix OptiView, GE Healthcare) gescannt. Dabei wird der Tumor im μCT bezüglich seiner Größe, Form und anatomischen Lage charakterisiert, während im μPET seine Stoffwechselaktivität beurteilt wird. Die Ergebnisse dienen der Bewertung der Tumorbildung und des Tumorwachstums insbesondere am Beispiel der Lunge. Die Tiere werden in der Regel alle 14 Tage gescannt. Mit Hilfe der bildgebenden Verfahren ist eine Verlaufskontrolle möglich, ohne zu jedem Untersuchungszeitpunkt einen Teil der Versuchstiere euthanasieren zu müssen. Somit wird die Anzahl der Versuchstiere deutlich gesenkt. In dieser Arbeit sollte zum einen die Strahlenbelastung der Versuchstiere im μCT und μPET abgeschätzt werden und zum anderen diese Dosiswerte in Bezug auf die Tumorinzidenz bewertet werden. Zur Dosismessung standen hochempfindliche Thermolumineszenzdosimeter (TLD) des Typs TLD-100H zur Verfügung. Mit Hilfe eines Plexiglasphantoms wurden im μCT des Fraunhofer ITEM Messungen durchgeführt. Das Plexiglasphantom wurde für jede Messung mit neun TLD bestückt und bei vier verschiedenen Protokollen für jeweils sechs identische Messungen eingesetzt. Die Messwerte wurden mit Kalibrierfaktoren multipliziert und in die Dosisgröße KERMA umgerechnet. Die Ergebnisse der Messungen mit den vier verschiedenen Protokollen lagen zwischen 141 mGy und 248,3 mGy. Für spätere Berechnungen der Gesamtdosen wurde nur noch mit den Ergebnissen des Scanprotokolls zwei gearbeitet. Der mittlere Dosiswert für eine Untersuchung mit Protokoll 2 betrug während der sechs identischen Messungen 162,7( ± 3,0) mGy im zentralen Nutzstrahlbereich. Die Gesamtdosis für eine Studie über 3 Monate, in denen die Mäuse ca. 6 Mal ge- scannt wurden, setzte sich aus den Dosiswerten der Einzelmessungen zusammen. Als Gesamtdosis ergaben sich Werte zwischen 1,27 und 1,42 Gy, je nach Dauer der Positionierung des Phantoms im Durchleuchtungsmodus des μCT (1,27 Gy bei einer 2-minütigen und 1,42 Gy bei einer 3-minütigen Positionierung). Als Gesamtdosis für eine Langzeitstudie über 6 Monate, in denen die Mäuse ca. 12 Mal gescannt wurden, ergaben sich je nach Dauer des Durchleuchtungsmodus zur Positionierung des Phantoms im μCT Werte zwischen 2,55 und 2,85 Gy. Auch diese Gesamtdosis errechnete sich aus der Summe der Dosiswerte in den Einzelmessungen. Bei den Messungen mit Mauskadavern wurden pro Scan 14 TLD in und auf den Kadavern positioniert. Die mittlere Lungendosis wurde aus den Messwerten der innen und außen liegenden TLD im Lungenfeld bestimmt. Es ergaben sich mittlere Lungendosen von 1,28 Gy für eine μCT-Studie über 3 Monate und 2,57 Gy für eine μCT-Studie über 6 Monate. Parallel zu den Messungen im μCT wurden Scans im μPET des Fraunhofer ITEM durchgeführt. Dafür wurden 6 lebende Mäuse vor Gabe des Radiopharmakons 18F-FDG mit jeweils 9 TLD bestückt und diese bis zu ca. 75 Minuten nach Gabe des 18F-FDG auf der Maus belassen. Die TLD-Messungen an der Oberfläche der Maus ergaben durch Gammastrahlung verursachte Dosiswerte zwischen 5,4 mGy (TLD-Position Kopf) und 8,8 mGy (TLD-Position Abdomen). In Höhe der Blase wurden Dosiswerte bis zu ca. 30 mGy registriert. Da das 18F-FDG glomerulär filtriert wird und sich in der Blase sammelt, waren die Dosiswerte dort entsprechend höher als an den übrigen Positionen. Für die Berechnung der Gesamtdosis der Maus im μPET musste auch die Positronenstrahlung berücksichtigt werden, die mit den TLD nicht gemessen werden konnte. Aus einer theoretischen Abschätzung ergab sich eine Gesamtdosis für eine Maus durch eine μPET- Untersuchung von 143 mGy. Der Wert stimmte sehr gut mit den theoretischen Werten aus der Monte-Carlo-Simulationen von 140 mGy (TASCHEREAU u. CHATZIIOANNOU 2007) überein. Um die genaue Organlage auf den μPET-Bildern zu ermitteln, werden die Mäuse zusätzlich im μCT gescannt. Deshalb wurde die Gesamtdosis einer Maus aus der berechneten Gesamtdosis der μPET-Untersuchungen und der gemessenen Dosis der μCT-Untersuchungen berechnet. Hier ergaben sich für eine Studie über 3 Monate, in der beide bildgebende Verfahren verwendet werden, Dosen zwischen 2,1 und 2,3 Gy, wiederum abhängig von der Dauer der Voreinstellung zur Positionierung des Phantoms im μCT. Für eine Langzeitstudie über 6 Monate wurden Werte zwischen 4,2 und 4,5 Gy ermittelt. Je nach der Positionierung im Durchleuchtungsmodus im μCT betrug die Differenz der Dosis bei einer Langzeitstudie immerhin 0,43 Gy pro Minute Durchleuchtungszeit. Somit ist es wichtig, dass die Scans an den Mäusen von einem geübten Untersucher durchführt werden, während die Positionierung im Durchleuchtungsmodus von ungeübten Untersuchern zunächst an Mauskadavern erlernt werden sollte. Die Dosiswerte dieser Arbeit zeigen, dass die Strahlenbelastung v. a. während einer Langzeitstudie über sechs Monate mit ca. 4,5 Gy nicht zu vernachlässigen ist. Nach COGGLE (1988) liegt die Tumorinzidenz für den in seiner Arbeit verwendeten Mausstamm (SAS/4 albino outbred mouse) nach einer Dosis von 4,5 Gy innerhalb von sechs Monaten bei 15 %. Es kann somit nicht ausgeschlossen werden, dass die Strahlenbelastung während einer Langzeitstudie sowohl die Tumorentstehung als auch das Tumorwachstum beeinflusst. Für eine präzise Abschätzung der strahleninduzierten Tumorinzidenz müsste eine ähnliche Studie wie COGGLE (1988) sie durchgeführt hat mit dem hier verwendeten Mausstamm (C57/BL6) vorgenommen werden.

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Böhm, Claudia: Dosimetrische Untersuchungen zu Strahlenbelastung und Strahlenwirkung bei [Mikro]CT- und [Mikro]PET-Untersuchungen an transgenen Mausmodellen. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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