Curt Beil

Bestimmung des pH-Wertes

Das Saure-Basen-Gleichgewicht wird im normalen Hirngewebe genau aufrechterhalten und damit der intrazellulare pH-Wert in einem engen Bereich einreguliert (7,0–7,1, Syrota et al. 1985). In pathologisch verandertem Hirngewebe andert sich der pH-Wert, und diese pH-Anderung kann selbst zu einer zusatzlichen Schadigung des Gewebes fuhren. Insbesondere bei Unterbrechung der Sauerstoffzufuhr im infarzierten Gewebe reichern sich saure Stoffwechselprodukte an (vor allem Laktat), und die Laktatazidose tragt zur ischamischen Zellschadigung bei (Ubersicht bei Siesjo 1981; Raichle 1983). Der Gewebe-pH-Wert ist aber auch in andersartigen pathologischen Prozessen — z.B. Tumoren und Infektionsherden — und ihrer Umgebung verandert; dadurch wird das Gewebe in der Umgebung des pathologischen Herdes funktionell beeintrachtigt, zusatzlich aber auch die Verteilung und Wirksamkeit von Medikamenten beeinflust. Die Kenntnis des pH-Wertes bei lokalisierten Hirnschadigungen ist daher fur das Verstandnis pathophysiologischer Mechanismen und fur die Entwicklung im Herd wirksamer Medikamente erforderlich.

Positron emission tomography in depression research: principles--results--perspectives.

At present, PET is the only technology affording the quantitative, three-dimensional imaging of various aspects of brain function. In the few PET studies of mood disorders performed so far, usually cerebral glucose metabolism was investigated by the fluorodeoxyglucose method. Its largest individual diagnostic potential was demonstrated in certain forms of organic depression, while metabolic abnormalities in major unipolar and bipolar depression were more subtle--albeit significantly different. Other PET tracers for investigation of transmitter systems are available, but have not been systematically applied in depression research.

Untersuchung der Proteinsynthese

Die Proteinsynthese ist — anders als die metabolische Rate fur Glukose und Sauerstoff, die Durchblutung und das Blutvolumen — nur geringgradig vom funktionellen Zustand des Gehirngewebes abhangig, sondern steht wahrscheinlich in Beziehung zu uber langere Zeit wirkenden Beeinflussungen der Hirntatigkeit, z.B. Lernen und Gedachtnis, Entwicklung und Plastizitat des Gehirns. In Anderungen der Proteinsynthese lassen sich evtl. fruhzeitig pathologische Prozesse, z.B. degenerative und neoplastische Erkrankungen, fassen. Wirkungen von Medikamenten und Hormonen und Reparations- und Regenerationsmechanismen nach Verletzungen oder Erkrankungen konnen darin ihren Ausdruck finden.

Positron Emission Tomography in Cerebrovascular Disease: Implications for Therapy?

The complex mechanisms involved in ischemic cell injury must be taken into consideration when developing a rational basis of treatment of ischemic stroke and vasular dementia. While focal perfusional disturbance with flow decrease below the thresholds for functional and/or morphological damage [3] of the tissue is the initial cause of ischemic attacks, disturbances of transmitter action, of the ionic equilibrium, and of biochemical processes triggered during ischemia together form vicious circles of pathobiochemical cascades inducing the final ischemic cell damage (reviews in [7,10,12]). Since the effect of impairment of flow is dependent on its duration — with near threshold “penumbra” values tolerated for undefined periods — and since the pathobiochemical cascades progress for extended periods after the initial ischemic insult, there exists a time window for the treatment of ischemia during which various strategies for improving flow, for prolonging the tolerance of cells against ischemia, and for preventing or reducing secondary mechanisms [4] could be efficient. From the various mechanisms contributing to the ischemic cell damage it seems to be necessary for an effective treatment of ischemia to include various strategies aimed at the vascular capacity, the cell properties, and the biochemical mechanisms.

Determination of Regional Glucose Metabolism in the Brain by Positron Emission Tomography Using 18F-Fluoro-2-deoxy-D-glucose

Since the energy requirement of the brain is supplied almost exclusively by glucose, the functional state of the tissue can be estimated and quantitatively demonstrated by reference to the glucose metabolism. The investigative method most widely used employs 18F-fluoro-2-deoxy-D-glucose (18FDG) for quantitative imaging of the glucose metabolism by means of PET (16).

PET und andere bildgebende Verfahren

Trotz des hohen apparativen und personellen Aufwands nimmt die PET eine wichtige Stellung innerhalb der computergestutzten bildgebenden Verfahren ein, da sie Einblicke in die Physiologie und Pathologie des menschlichen Gehirns gewahrt, die derzeit mit keiner anderen Technologie moglich sind. Im Gegensatz zu PET stellen Rontgen-Computer-Tomographie und Kernspin-Tomographie („magnetic resonance imaging“, MRI), solange diese Methode auf der Resonanz der Protonen beruht, mit hohem Auflosungsvermogen den Aufbau des Gewebes und pathologische Veranderungen der Morphologie dar, wahrend physiologische Parameter mit diesen Verfahren nur im begrenzten Ausmas (Durchblutungsbestimmung mit Xenon-CT, Meyer et al. 1981; Gur et al. 1982; Moglichkeit von Flusstudien in grosen Gefasen mit MRI, Mills et al. 1983) quantifiziert und sichtbar gemacht werden konnen. Die bildhafte Darstellung der Verteilung stabiler Isotope mit ungerader Masse mittels MRI ist nur fur wenige Elemente technisch realisierbar, und die Bildqualitat leidet an der niederen Konzentration dieser Isotope im Vergleich zu Protonen, wodurch ein schlechtes Signal-Rausch-Verhaltnis die Messung dieser Kerne nur in grosen Gewebsvolumina erlaubt. Am weitesten entwikkelt ist die bildliche Darstellung der Verteilung von 23Na, womit Verschiebungen in der extraintrazellularen Natriumkonzentration erkannt und fokale Durchblutungsstorungen in fruhen Stadien des ischamischen Insults dargestellt werden konnen (Hilal et al. 1985). Grose Hoffnungen werden in die Nachweisbarkeit von 31P durch Magnetresonanz gesetzt: 31P ist Bestandteil der energiereichen Phosphate (ATP, ADP, CrP). Die Konzentration dieser Verbindungen und des anorganischen Phosphats kann durch unterschiedliche „peaks“ spektrometrisch bestimmt werden. Regionale Messungen der Konzentrationen dieser Verbindungen und des pH-Wertes, der aus einer Verschiebung des „peak“ fur anorganisches Phosphat indirekt ermittelt werden kann (Bendel et al. 1980), mittels Nuklearmagnettopospektroskopie sind nach Abschlus laufender Entwicklungen zu erwarten, doch wird die raumliche Auflosung dieser Verfahren wahrscheinlich begrenzt sein (Welch et al. 1985; Kogure et al. 1985). Auch fur die Markierung organischer Verbindungen, z.B. der Glukose, mit 13C und Quantifizierung der Verteilung dieser Substrate mittels MRI (Reo et al. 1984), und fur den Einsatz 19F-markierter Tracer (McFarland et al. 1985) fur Stoffwechsel-und Durchblutungsstudien mus die Entwicklung geeigneter Modelle und die Verbesserung der Signalverarbeitung abgewartet werden (Kaufmann u. Crooks 1983, Budinger u. Lauterbur 1984).

Selektive Darstellung von Tumoren

Die Darstellung von Hirntumoren war die Hauptaufgabe nuklearmedizinischer Methoden in der Neurologie, bevor bessere bildgebende Verfahren — Computer-Tomographie und KernspinTomographie — zur Verfugung standen, mit denen Isotoptechniken bezuglich raumlicher Auflosungsvermogen, Spezifitat der Befunde und Zeitaufwand pro Untersuchung nicht konkurrieren konnten. Auch fur onkologische Anwendungen liegt die Starke der PET nicht in der Abbildung der morphologischen Veranderungen im Gehirn, sondern in der Darstellung des veranderten Stoffwechsels, der veranderten Verteilung und des spezifischen Abbaus von Pharmaka und der selektiven Inkorporation von Stoffwechselsubstraten im Tumorgewebe.

Darstellung pathologischer zerebraler Prozesse mit gestörter Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke verhindert den Ubertritt groserer Molekule und Ionen aus dem Blut in gesundes Hirngewebe. Eine Storung der BlutHirn-Schranke in pathologischem Gewebe (Tumoren, Infarkte, frische Entzundungen) ist diagnostisch nutzbar, beispielsweise geschieht dies bei der (Transmissions)-Computer-Tomographie mit Kontrastmittel und im 99m-Tc-Hirnszintigramm. Mit Gallium-68 steht ein Positronen-Emitter zur Verfugung, der nur die gestorte BlutHirn-Schranke uberwinden kann und normalerweise intravaskular verbleibt. Das Isotop 68Ga ist in Form des 68Ge-68Ga-Generators ein kommerziell erhaltliches positronenstrahlendes Nuklid. Der meistgebrauchte Generator liefert 68Ga als EDTA-Komplex. Auch ein „ionischer“ Generator ist lieferbar, jedoch hat die Anwendung anderer hieraus synthetisierbarer 68Ga-Verbindungen bisher keine breite Bedeutung erlangt (Lam-brecht 1983). Seine Halbwertzeit von 68 min erlaubt die Akkumulation genugend vieler Impulse zur Erzielung guter Auflosung bei einer mittleren i.v. injizierten Dosis von 5 mCi. Es weist eine hohe Proteinbindung und besonders hohe Affinitat zu Transferrin auf (Moerlein u. Welch 1981).

Chemische Voraussetzungen zur PET

Der Anteil der Chemie am gesamten Ablauf der Entwicklung, der Produktion und schlieslich am routinemasigen diagnostischen Einsatz einer mit einem Positronenstrahler markierten Substanz fullt einen sehr breiten Bereich aus (zur Ubersicht ist im Anschlus an diese Einleitung eine Auswahl neuerer Monographien und Ubersichtsartikel angegeben).

Messung des Sauerstoffverbrauchs, der Durchblutung und des Blutvolumens

Das Sauerstoffisotop15O mit einer kurzen Halbwertzeit von 123 s wird zur Messung des regionalen Sauerstoffverbrauchs (rCMRO2), der regionalen Hirndurchblutung (rCBF) und zur Bestimmung des regionalen Blutvolumens (rCBV) eingesetzt. Dabei ist die Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs nicht ohne Durchblutungsmessung moglich. Die in diesem Kapitel abgehandelten Verfahren sind Weiterentwicklungen der von TerPogossian et al. (1969, 1970) eingefuhrten Methode mit intraarterieller Injektion von O2-gesattigtem Blut, H2 15O und C15O-markiertem Hamoglobin.