Studies on Organic Magnetic Resonance Contrast Agents for Medical Imaging

Magnetic resonance imaging (MRI) is one of the most important medical imaging methods due to its noninvasiveness, superior versatility and resolution. In order to improve the image quality and to make different tissues more distinguishable, MRI is often used together with contrast agents. Contrast agents are most commonly based on gadolinium. However, during recent decades, the group of metal-free contrast agents has become a major area of development. One striking group of potential metal-free contrast agents are the nitroxides, stable organic radicals. In this thesis, two fully organic, metal-free nitroxides were designed and synthesized. The compounds consisted of a nitroxide moiety bearing the contrast enhancing properties and a targeting moiety aimed to invoke specificity of the agent towards tumor tissue. Their stability and relaxation enhancing properties were determined in order to evaluate their potential as novel contrast agents for MRI. Both of the compounds proved to be highly stable by maintaining their contrast and relaxation enhancing properties for several hours is harsh conditions. Also, they displayed effective relaxation time shortening in MRI experiments. Therefore, these organic radical contrast agents are expected to bring a noteworthy addition to the established MRI-based diagnostics by joining the growing group of metal-free contrast agents for MRI. Another medical diagnostic method based on magnetic resonance is magnetic resonance spectroscopy (MRS) and spectroscopic imaging (MRSI). In the latter section of the thesis a novel organic marker for MRS and MRSI with no existing equivalent was developed. Although the phantom MRS studies seemed promising, unfortunately the in vivo animal studies did not give the desired outcome leaving place for improvement.Magneettikuvantaminen on yksi tärkeimmistä lääketieteellisistä kuvantamismenetelmistä. Sen erinomaisiin ominaisuuksiin kuuluvat noninvasiivisuus, monipuolisuus ja korkea erottelukyky. Erityisesti kliinisessä magneettikuvantamisessa käytetään usein kontrastiaineita parantamaan kuvien laatua ja lisäämään eri kudosten erottuvuutta. Perinteiset kontrastiaineet ovat gadolinium-pohjaisia. Viimeisten vuosikymmenten aikana on kehitetty myös metallivapaita kontrastiaineita. Eräs merkittävimmistä vaihtoehdoista metallivapaiksi kontrastiaineiksi on nitroksidit, stabiilien orgaanisten radikaalien ryhmä. Väitöskirjatyössä kehitettiin kaksi täysin metallivapaata kontrastiainetta. Yhdisteet koostuvat kontrastia parantavasta nitroksidiosasta ja mahdollisesti kasvainkudokseen hakeutuvasta osasta. Yhdisteiden sopivuutta uusiksi kontrastiaineiksi arvioitiin testaamalla niiden stabiiliutta ja kykyä vahvistaa relaksaatiota. Kumpikin aine osoittautui erittäin stabiiliksi säilyttäen relaksaation vahvistus ominaisuudet usean tunnin ajan vaativissa olosuhteissa. Lisäksi ne lyhensivät relaksaatioaikaa magneettikuvantamistesteissä. Näin ollen, ne voisivat tuoda merkittävän lisän metallivapaisiin kontrastiaineisiin pohjautuvalle MRI-diagnostiikalle. Toinen magneettiseen resonanssi-ilmiöön perustuva menetelmä on magneettiresonanssispektroskopia. Tutkielman jälkimmäinen osa koostuu uuden merkkiaineen tutkimuksesta spektroskopista kuvantamista varten. Vaikkakin fantomitutkimuksen tulokset olivat lupaavia, yhdiste ei kuitenkaan osoittautunut toimivaksi in vivo eläinkokeissa

Nitroksyyliradikaalit ja niiden käyttö lääketieteellisessä kuvantamisessa

Nitroksyyliradikaalit ovat stabiileja, paramagneettisia yhdisteitä. Nämä ominaisuudet luovat erinomaiset lähtökohdat niiden tutkimiseksi mahdollisina kontrastiaineina magneettikuvantamisessa (MRI), joka on yksi yleisimmistä lääketieteellisistä kuvantamismenetelmistä. Nitroksyyliradikaalit voisivat olla lisänä nykyisin käytössä oleville gadolinium-pohjaisille kontrastiaineille. Gadolinium on muiden siirtymämetallien tapaan ihmiskehoon vapautuessaan myrkyllistä, vaikkakin sen vapautuminen kompleksisesta muodostaan on epätodennäköistä. Tässä tutkielmassa esitellään nitroksyyliradikaalien ominaisuuksia ja erityisesti niiden stabiiliuteen vaikuttavia seikkoja. Nitroksyyliradikaalit eroavat monella tapaa reaktiivisista radikaaliyhdisteistä niin fysikaalisilta ominaisuuksiltaan kuin biologisilta vaikutuksiltaankin. Ne voivat toimia muun muassa antioksidantteina, SOD-jäljittelijöinä (superoksididismutaasi) ja säteilysuoja-aineina. Tutkielmassa käsitellään myös nitroksyyliradikaalien valmistusta ja yleisimpiä käyttökohteita syntetiikassa. Lisäksi tutkielmassa tulevat ilmi niiden sovellukset spin-leimauksessa, pH-indikaattoreina ja elektroninsiirtoreaktioiden tutkimuksessa. Yksi tärkeimmistä menetelmistä radikaalien tutkimuksessa on elektronin paramagneettinen resonanssispektroskopia (EPR). Menetelmällä voidaan tutkia radikaalien rakenteita ja arvioida niiden stabiiliutta esimerkiksi mittaamalla niiden pelkistymisreaktioiden kinetiikkaa. Tutkielman loppupuolella keskitytään esittelemään edellä mainittujen spektroskopisten menetelmien teoriaa ja nitroksyyliradikaalien käyttöä kyseisiin menetelmiin pohjautuvissa sovelluksissa. Tutkielman kokeellinen osio koostuu nitroksyyliradikaalipohjaisen kontrastiaineen TEEPO-Glc:n (2,2,6,6-tetraetyylipiperidiini-1-oksyyli-β-D-glukopyranosidi) valmistuksesta ja alustavista in vitro NMR-kokeista. Alustavien tutkimusten perusteella kyseinen yhdiste on erittäin stabiili ja lyhentää merkittävästi veden T1- ja T2-relaksaatioaikoja. Ominaisuuksiensa vuoksi yhdiste on potentiaalinen MRI-kontrastiaine ja sen tutkimuksia tullaan jatkamaan magneettikuvauslaitteella

A body-sized phantom for evaluation of diffusion-weighted MRI data using conventional, readout-segmented, and zoomed echo-planar sequences

Peer reviewe

Synthesis, Stability and Relaxivity of TEEPO-Met : An Organic Radical as a Potential Tumour Targeting Contrast Agent for Magnetic Resonance Imaging

Cancer is a widespread and life-threatening disease and its early-stage diagnosis is vital. One of the most effective, non-invasive tools in medical diagnostics is magnetic resonance imaging (MRI) with the aid of contrast agents. Contrast agents that are currently in clinical use contain metals, causing some restrictions in their use. Also, these contrast agents are mainly non-specific without any tissue targeting capabilities. Subsequently, the interest has notably increased in the research of organic, metal-free contrast agents. This study presents a new, stable organic radical, TEEPO-Met, where a radical moiety 2,2,6,6-tetraethylpiperidinoxide (TEEPO) is attached to an amino acid, methionine (Met), as a potentially tumour-targeting moiety. We describe the synthesis, stability assessment with electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy and relaxation enhancement abilities by an in vitro nuclear magnetic resonance (NMR) and phantom MRI studies of TEEPO-Met. The new compound proved to be stable notably longer than the average imaging time in conditions mimicking a biological matrix. Also, it significantly reduced the relaxation times of water, making it a promising candidate as a novel tumour targeting contrast agent for MRI.Peer reviewe

Assessment of the Relaxation-Enhancing Properties of a Nitroxide-Based Contrast Agent TEEPO-Glc with In Vivo Magnetic Resonance Imaging

Magnetic resonance imaging examinations are frequently carried out using contrast agents to improve the image quality. Practically all clinically used contrast agents are based on paramagnetic metals and lack in selectivity and specificity. A group of stable organic radicals, nitroxides, has raised interest as new metal-free contrast agents for MRI. Their structures can easily be modified to incorporate different functionalities. In the present study, a stable nitroxide TEEPO (2,2,6,6-tetraethylpiperidin-1-oxyl) was linked to a glucose moiety (Glc) to construct a water-soluble, potentially tumor-targeting compound with contrast-enhancing ability. The ability was assessed with in vivo MRI experiments. The constructed TEEPO-Glc agent proved to shorten the T-1 relaxation time in tumor, while the T-1 time in healthy brain tissue remained the same. The results indicate the potential of TEEPO-Glc as a valuable addition to the growing field of metal-free contrast enhancement in MRI-based diagnostics.Peer reviewe

Overcoming tumor resistance by heterologous adeno-poxvirus combination therapy

Successful cancer control relies on overcoming resistance to cell death and on activation of host antitumor immunity. Oncolytic viruses are particularly attractive in this regard, as they lyse infected tumor cells and trigger robust immune responses during the infection. However, repeated injections of the same virus promote antiviral rather than antitumor immunity and tumors may mount innate antiviral defenses to restrict oncolytic virus replication. In this article, we have explored if alternating the therapy virus could circumvent these problems. We demonstrate in two virus-resistant animal models a substantial delay in antiviral immune- and innate cellular response induction by alternating injections of two immunologically distinct oncolytic viruses, adenovirus, and vaccinia virus. Our results are in support of clinical development of heterologous adeno-/vaccinia virus therapy of cancer.Peer reviewe

Favorable Alteration of Tumor Microenvironment by Immunomodulatory Cytokines for Efficient T-Cell Therapy in Solid Tumors

Unfavorable ratios between the number and activation status of effector and suppressor immune cells infiltrating the tumor contribute to resistance of solid tumors to T-cell based therapies. Here, we studied the capacity of FDA and EMA approved recombinant cytokines to manipulate this balance in favor of efficient anti-tumor responses in B16. OVA melanoma bearing C57BL/6 mice. Intratumoral administration of IFN-alpha 2, IFN-gamma, TNF-alpha, and IL-2 significantly enhanced the anti-tumor effect of ovalbumin-specific CD8+ T-cell (OT-I) therapy, whereas GM-CSF increased tumor growth in association with an increase in immunosuppressive cell populations. None of the cytokines augmented tumor trafficking of OT-I cells significantly, but injections of IFN-alpha 2, IFN-gamma and IL-2 increased intratumoral cytokine secretion and recruitment of endogenous immune cells capable of stimulating T-cells, such as natural killer and maturated CD11c+ antigen-presenting cells. Moreover, IFN-alpha 2 and IL-2 increased the levels of activated tumor-infiltrating CD8+ T-cells concomitant with reduction in the CD8+ T-cell expression of anergy markers CTLA-4 and PD-1. In conclusion, intratumoral administration of IFN-alpha 2, IFN-gamma and IL-2 can lead to immune sensitization of the established tumor, whereas GM-CSF may contribute to tumor-associated immunosuppression. The results described here provide rationale for including local administration of immunostimulatory cytokines into T-cell therapy regimens. One appealing embodiment of this would be vectored delivery which could be advantageous over direct injection of recombinant molecules with regard to efficacy, cost, persistence and convenience.Peer reviewe

List of antibodies used.

<p>*ND = not determined</p><p>List of antibodies used.</p