Visualization of Inflammation in Experimental Colitis by Magnetic Resonance Imaging Using Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Particles

Inflammatory bowel diseases (IBD) comprise mainly ulcerative colitis (UC) and Crohn´s disease (CD). Both forms present with a chronic inflammation of the (gastro) intestinal tract, which induces excessive changes in the composition of the associated extracellular matrix (ECM). In UC, the inflammation is limited to the colon, whereas it can occur throughout the entire gastrointestinal tract in CD. Tools for early diagnosis of IBD are still very limited and highly invasive and measures for standardized evaluation of structural changes are scarce. To investigate an efficient non-invasive way of diagnosing intestinal inflammation and early changes of the ECM, very small superparamagnetic iron oxide nanoparticles (VSOPs) in magnetic resonance imaging (MRI) were applied in two mouse models of experimental colitis: the dextran sulfate sodium (DSS)-induced colitis and the transfer model of colitis. For further validation of ECM changes and inflammation, tissue sections were analyzed by immunohistochemistry. For in depth ex-vivo investigation of VSOPs localization within the tissue, Europium-doped VSOPs served to visualize the contrast agent by imaging mass cytometry (IMC). VSOPs accumulation in the inflamed colon wall of DSS-induced colitis mice was visualized in T2* weighted MRI scans. Components of the ECM, especially the hyaluronic acid content, were found to influence VSOPs binding. Using IMC, co-localization of VSOPs with macrophages and endothelial cells in colon tissue was shown. In contrast to the DSS model, colonic inflammation could not be visualized with VSOP-enhanced MRI in transfer colitis. VSOPs present a potential contrast agent for contrast-enhanced MRI to detect intestinal inflammation in mice at an early stage and in a less invasive manner depending on hyaluronic acid content

Bildgebung intestinal Entzündungen und der extrazellulären Matrix mit sehr kleinen superparamagnetischen Eisenoxid- Nanopartikeln mittels Magnetresonanztomographie

Diagnosis of inflammatory bowel diseases (IBD) often requires invasive procedures, such as endoscopy, which entails a burden for the patient. Non-invasive techniques like magnetic resonance imaging (MRI) are a desirable alternative. Currently, MRI is used to examine the small bowel in Crohn’s disease patients. MRI examination of intestinal inflammation usually involves a gadolinium-based contrast agent, but recent findings question the safety of those agents. Iron oxide-based contrast agents, like very small superparamagnetic iron oxide nanoparticles (VSOPs), gained attention as a promising alternative. VSOPs were shown to have high biocompatibility and good imaging properties. Their feasibility in MRI examinations has been reported in neuroinflammatory diseases and atherosclerosis. Components within the extracellular matrix (ECM), specifically glycosaminoglycans (GAGs), seem to be involved in binding of VSOPs. Synthesis and degradation of ECM components are highly dynamic but strictly controlled in healthy tissue. During inflammation, such as in IBD, this balance can be disrupted, either resulting in excessive degradation or synthesis of ECM components. The integrity of the ECM is therefore a great indicator of inflammation and presents a promising target for diagnostics. This work presents the imaging of intestinal inflammation in three different mouse models of intestinal inflammation. VSOP-enhanced MRI successfully showed a visual and quantitative decrease in contrast in colon walls of DSS-induced colitis mice compared with wild-type mice but not in the colon walls of mice with transfer colitis and the ileum of TNFΔARE mice. MRI examinations were found to be more sensitive in detecting early- onset inflammation compared to histopathological evaluation of colon tissue. This work hypothesizes that increasing hyaluronic acid (HA) content in colon tissue of DSS-induced colitis mice might be the reason for successful VSOP-accumulation in the DSS mouse model. In contrast, an increase in HA content is not observed in the transfer colitis model: Indeed, the results indicated that macrophages expressing the HA receptor CD44 either co-localize or phagocytose VSOPs and are present in the colon tissue of mice with DSS-induced colitis as well as to a lower extent in transfer colitis mice. This suggests a possible link between the high HA content in colon tissue and VSOP-containing CD44+ macrophages. Long-term exposure to VSOPs did neither influence the phenotype nor the frequency of mononuclear cells in mesenteric lymph nodes of transfer colitis mice. Furthermore, no aggravation of tissue inflammation in liver, colon, cecum, and small intestine in VSOP-exposed animals was observed. In vitro experiments confirmed previous results indicating no influence on viability of VSOP-treated human primary monocytes. In summary, VSOPs successfully accumulate in inflamed tissue and do not induce cytotoxic effects. Based on the findings in this work VSOP- enhanced MRI might be a valuable alternative and could be implemented in clinical practice.Die diagnostischen Maßnahmen bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) beinhalten invasive Methoden, wie zum Beispiel die der Endoskopie und Koloskopie, welche eine hohe Belastung für die zu behandelnde Person darstellt. Nicht-invasive Techniken, wie die Magnetresonanztomographie (MRT), stellen attraktive Alternativen da. Das MRT wird aktuell für die Untersuchung des Dünndarms in Morbus Crohn Patienten genutzt. Die MRT Untersuchung von intestinalen Entzündungen, beinhaltet außerdem die Gabe von Gadolinium- basierten Kontrastmitteln, dessen Sicherheit aufgrund neuer Erkenntnisse angezweifelt wurde. Eisenoxid-basiere Kontrastmittel, wie zum Beispiel die „very small superparamagnetic iron oxide nanoparticles“ (VSOPs), sind eine vielversprechende Alternative. VSOPs zeigen eine hohe Verträglichkeit und gute Bildgebungseigenschaften. Ihre Anwendung in MRT- Untersuchungen von neuronalen Entzündungen und Arteriosklerose wurde bereits gezeigt. Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM), im Speziellen die Glykosaminoglykane, scheinen in der Bindung der VSOPs eine Rolle zu spielen. Die Synthese und Degradierung von EZM Komponenten ist sehr dynamisch, unterliegt jedoch einer strengen Kontrolle. Währen einer Entzündung, wie im Fall der CED, gerät das Gleichgewicht beider Prozesse außer Kontrolle, was in einer höheren Syntheserate oder aber auch exzessiver Degradierung der EZM resultieren kann. Die Integrität der EZM ist damit ein guter Indikator für Entzündungsprozesse und somit eine vielversprechende Hilfe für die Diagnose. Diese Arbeit präsentiert die Bildgebung intestinaler Entzündungen in drei unterschiedlichen Mausmodellen für CED. Die MRT-Untersuchungen mit VSOPs als Kontrastmittel zeigten einen erfolgreichen Signalabfall im Dickdarm des DSS-induzierten Mausmodells im Vergleich zu wildtypischen Mäusen, jedoch nicht in dem Dickdarm des Transferkolitis Modells und im Ileum von TNFΔARE Mäusen. Zusätzlich zeigen die MRT-Untersuchungen eine höhere Sensitivität gegenüber der Detektion einer Entzündung im Vergleich zu der histopathologischen Evaluierung des Darmgewebes. Diese Arbeit schlägt vor, dass ein steigender Gehalt an Hyaluronsäure (HS) im Dickdarmgewebe der DSS-induzierten Kolitis der Grund für die erhöhte Ansammlung von VSOPs in diesem Model ist. Im Gegensatz dazu wurde kein Anstieg an HS in dem Transferkolitis-Modell festgestellt. Tatsächlich zeigten weitere Ergebnisse, dass Makrophagen, die den HS-Rezeptor CD44 exprimieren, mit den VSOPs kolokalisieren oder diese phagozytieren. Die Präsenz dieser CD44+ Makrophagen mit VSOPs im Dickdarmgewebe der DSS-induzierten Kolitis ist außerdem deutlich höher als im Gewebe der Transferkolitis, wo sie jedoch auch vorhanden sind. Dies lässt einen Zusammenhang zwischen dem hohen HS-Gehalt und der CD44+ Makrophagen schließen. Außerdem wurde anhand des Transferkolitis-Modells gezeigt, dass nach Gabe von VSOPs der Phänotyp und auch die Frequenz von mononukleären Zellen aus den mesenterialen Lymphknoten nicht beeinflusst 2 wird. Zusätzlich induzierte die Langzeitaussetzung auch keine Entzündung in Leber, Dickdarm, Blinddarm und Dünndarm dieser Mäuse. In vitro Experimente zeigten keinen Einfluss auf die Lebensfähigkeit von Monozyten, welche mit VSOPs behandelt worden sind. Zusammenfassend ist eine erfolgreiche Ansammlung an VSOPs im entzündeten Darmgewebe zu beobachten welche keine zytotoxischen Effekte zeigt. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit könnte eine MRT Untersuchung mit VSOPs als Kontrastmittel eine wertvolle Alternative sein und einen Gebrauch in der klinischen Praxis finden

Extracellular Matrix Components as Diagnostic Tools in Inflammatory Bowel Disease

Work from the last years indicates that the extracellular matrix (ECM) plays a direct role in various cellular processes, including proliferation, migration and differentiation. Besides homeostatic processes, its regulatory function in inflammation becomes more and more evident. In inflammation, such as inflammatory bowel disease, the ECM composition is constantly remodeled, and this can result in a structuring of fistulizing disease course. Thus, tracking early ECM changes might bear the potential to predict the disease course. In this review, we provide an overview of relevant diagnostic methods, focusing on ECM changes