Incontri Scientifici di Dipartimento
Dipartimento Tecnologie e Salute, Istituto Superiore di Sanità
Imaging Integrato Anatomico e Funzionale nella
Identificazione delle Placche Aterosclerotiche
Vulnerabili
F. Cusanno
INFN Gruppo Sanità, Sezione di Roma,
reparto di fisica e tecnologie nucleari per la salute
Aterosclerosi
Le malattie cardiovascolari sono la principale causa di
morte nei paesi occidentali
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
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Alterazione dell’endotelio che ha origine dal deposito di colesterolo e di sali di
calcio sulla parete del vaso  placca ateromasica
Origina in giovane età, progredisce in maniera imprevedibile, cambiando istologia a
causa della risposta del vaso (proliferazione di macrofagi, cellule connettivali,
fibroblasti)
Manifestazione sintomatica improvvisa e acuta solo in stadio avanzato placche
vulnerabili
Metodi di indagine convenzionale
 Rivelano le lesioni, di qualunque stadio
 Sono invasivi

Goal: mettere a punto un metodo di
indagine che
 riveli SOLO placche ad alto rischio di
rottura
 Sia non invasivo
Imaging Anatomico e Funzionale

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
La correlazione o meglio coregistrazione tra immagini
anatomiche ad es. TC e
immagini funzionali, ad es.
SPECT ottenuta con
Annessina-V, possono
individuare un metodo di
classificazione di pazienti a
rischio, che necessitano ad
es. rivascolarizzazione o
terapia medica.
Multimodal Imaging
Questo studio non può essere
sempre fatto su umani.
Lo studio in vivo è
fondamentale
La strumentazione per
ottenere immagini
multimodali è in molti casi
ancora in via di sviluppo
Molecular Imaging: the Role of
SPECT
Optical
Ultrasound
A
CT
F
(Bioluminescence, fluorescence)
Structure
0.1 mm
Doppler
Unique!
A
M
Topography
µm to mm
~103 cells
 quantitative
A Tissue Density, Z
20-50 µm
PET/SPECT
MRI
F
A
F
M
H Concentration
0.1 mm
BOLD, DCE
-galactocidase
0.1 µmole H / µmole 31P
M
Radiotracer
~1-2 mm
<10-12 mole
= quantitative
SPECT IMAGING OF ATHEROCLEROTIC PLAQUES
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Motivation
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
Hypothesis


The identification & treatment of
vulnerable atherosclerotic
plaques prior to rupture has
significant impact in health care
Increased apoptosis occurs in
vulnerable as compared to stable
plaque of the same size
Goal

To prove the hypothesis in a
transgenic mouse model using
SPECT imaging techniques
La nostra esperienza

Conferenza ISS
Frontiers in Imaging Science: High Performance Nuclear Medicine
Imagers for Vascular Disease Imaging (Brain and Heart)
Istituto Superiore di Sanita’ – Viale Regina Elena 299 Rome
13-14 Novembre 2006 (Proceedings of Science, FISH2006)


Progetto ISS-NIH
progetto n. 530/F5 “Novel high
resolution SPECT instrumentation and techniques for molecular imaging
of small animals”, presentato anche allla Conferenza “ISS/NIH
Collaborative Programme 2006 Progress Report Meeting”, Istituto
Superiore di Sanità, 4-6 Luglio 2006, Sessione “Cardiovascular”
Collaborazione INFN, esperimento
MOIRA (Molecular Imaging with
Radionuclides)
Approccio Metodologico: Ipotesi
Apolipoprotein E Knockout Mice
1. ApoE -/- Mice [4]
• Modello per lo studio della patogenesi
dell’aterosclerosi
• Sviluppa spontaneamente lesioni
ateroscerotiche istologicamente simili a
quelle umane se mantenuto a dieta ricca
di lipidi
2. Correlazione presenza di macrofagi in apoptosi
e grado di vulnerabilità della placca [5]
3. Tc99m-Annexin V: radiofarmaco con più alta
captazione nelle cellule in apoptosi [6]
Possibilità di rivelare placche aterosclerotiche
vulnerabili mediante rivelatori Single Photon
4.
5.
6.
Plump A, Ann Med 29, (1997)
Kolodgie FD et al, Am J Pathol 157, (2000)
Mari C et al, J Nucl Med 43, (2002) P702
Foto e Autoradiografia di Aorta
di topo dopo 37 settimane di
dieta ricca di lipidi
IMAGING CHARACTERISTICS OF
A CURRENT COMMERCIAL SYSTEM
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Gamma Medica-Idea FLEX X-SPECT




Dual detectors with pixellated NaI(Tl) crystal (ours w/ 82 pixels)
Single pinhole collimator on each detector
Resolution: ~1.25 mm w/ 1 mm aperture at ~2.5 cm ROR
~1 cps/microCi per pinhole-detector
Door open to change collimator
View from the Front (Internal)
View from the Back (Internal)
Misure in vivo @ JHU
 Testare la fattibilità di una misura in vivo
Topi ApoE -/-, 5 settimane
Componenti Rivelatore:
Pin Hole 0.5 mm
Scintillatore CsI(Tl) 1.0
pitch
Fotorivelatori H9500
Ricostruzione
tomografica con tecnica
MIP (maximumintensity-re-projections).
I reni sono ben visibili.
Monitoring Atherosclerosis in ApoE-/- Mice using 99mTc-HYNICAnnexin-V SPECT Imaging Techniques
Walz-Flannigan et al., Johns Hopkins University, SNM ’06 paper #339
ApoE-/- #1253 (fed high fat diet)
Coronal Images
emission
fused
20 weeks
Normalized
emission
fused
emission
fused
fused
emission
fused
lesion
liver
Sagittal Images
27 weeks
37 weeks
40 weeks
OS-EM ( 4 iteration and 3 subsets), Butterworth filter cutoff .3 cyc/pixel
Lesion Profiles and Uptake
20 weeks
27 weeks
37 weeks
0.25
arbitrary units
0.2
0.15
20 weeks
0.1
0.05
27 weeks
0
5
-0.05
10
15
20
30
37 weeks
mm
normalized sagittal lesion profiles
ApoE-/- 1253
25
Relative Total
Uptake
Week
Peak Value
(arb. Unit)
20
.10
.35
27
.20
.73
37
.11
.37
NEW MODULAR DETECTOR DESIGN
 Proposed modular detector
 Being constructed & tested at
Thomas Jefferson National
Accelerator Facility (TJNAF)
 Detector material
Pixellated crystal
MAPMT
– Pixellated CsI(Tl) with 1 mm pitch
and ~<90 micron gap
 Optical senor
– Hamamatsu flat panel multianode
photomultiplier tube (MAPMT) array
•
•
•
•
•
•
•
52 mm square
bialkali photocathode
12 stage
Small dead space at edges
fast time response
H8500: 8 x 8 multianode
H9500: 16 x 16 multianode
2x2 array of
Hamamatsu MAPMT
prototype modular detector with a 2x2
array of Hamamatsu PAPMTs
PINHOLE - Improving spatial resolution
o=3 cm
o=3 cm
o=3 cm
d
d
z
d
L
z
- different magnification
- same # of ‘resolution elements’
same ‘realizable’ resolution
L
z
L
- same magnification
- different # of ‘resolution elements’
different ‘realizable’ resolution
Simulazioni: Parametri
Collimatore:
Pinhole, foro 0.3˚mm, magnificazione 3
Scintillatore:
CsI(Tl) pitch 0.5/0.8˚mm, spessore 3˚mm
CsI(Na) pitch 0.8˚mm, spessore 3˚mm
LaBr3(Ce) continuo, spessore 3 − 5 mm
PS-PMT (offline):
Flat Panel H9500, anodo 3.0˚mm
Burle Planacon 85001, anodo 1.5 mm
Biodistribuzione di radiofarmaco [7]:
Fegato 12%, Reni 56 %, Milza 2%, + 5 % espulso
25 % della dose si distribuisce nel tessuto
H2.5 mCi di Tc99m-Annexin-V,
HDimensione topo di 8×3×2 cm3
Attività tessuto ~ 10 nCi/cm3
Attività placca ~ 10/20*10 nCi/cm3
HDimesione placca ~ 0.5 × 1 × 4 mm3
7.
Blankenberg FG et al, PNAS 95, (1998)
Results of Simulation
“Shallow” Plaque
T/B ratio
Mid-deep Plaque
T/B ratio
Evaluation of S/N ratio using
analytic algorithm
Array Image and Map
Reconstruction (1)
The Present
Array Image and Map
Reconstruction (2)
Possible
Future
Possibili collaborazioni
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
Dipartimento di tecniche radiologiche Azienda Ospedaliera Universitaria
San Martino di Genova, UO Medicina Nucleare (progetto strategico
ricerca finalizzata 2007)
Università di Napoli, Medicina Clinica e Scienze Cardiovascolari e
immunologiche
Università di Pisa, Dipartimento di Patologia Sperimentale
Conclusioni



Sicuramente la tematica riveste un interesse socio-sanitario
fondamentale, anche con ricadute immediate o quasi sul SSN
Lo studio completo della problematica richiede anche lo sviluppo
di tecnologie innovative
Poi il resto vorrei saperlo da voi 
THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!