F. Cusanno INFN Gruppo Sanità, Sezione di Roma,

1. 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

2. Aterosclerosi Le malattie cardiovascolari sono la principale causa di morte nei paesi occidentali • 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 • Goal: mettere a punto un metodo di indagine che • riveli SOLO placche ad alto rischio di rottura • Sia non invasivo • Metodi di indagine convenzionale • Rivelano le lesioni, di qualunque stadio • Sono invasivi

3. Imaging Anatomico e Funzionale • La correlazione o meglio co-registrazione 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

4. Ultrasound CT Optical (Bioluminescence, fluorescence) A F Structure A M 0.1 mm Doppler Topography Unique! µm to mm ~103 cells  quantitative Tissue Density, Z A 20-50 µm MRI PET/SPECT F M A F M Radiotracer ~1-2 mm H Concentration <10-12 mole = quantitative 0.1 mm BOLD, DCE Molecular Imaging: the Role of SPECT -galactocidase 0.1 µmole H / µmole 31P

5. SPECT IMAGING OF ATHEROCLEROTIC PLAQUES • Motivation • The identification & treatment of vulnerable atherosclerotic plaques prior to rupture has significant impact in health care • Hypothesis • 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

6. 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)

7. Approccio Metodologico: Ipotesi Apolipoprotein E Knockout Mice • 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 • Correlazione presenza di macrofagi in apoptosi e grado di vulnerabilità della placca [5] • Tc99m-Annexin V: radiofarmaco con più alta captazione nelle cellule in apoptosi [6] Foto e Autoradiografia di Aorta di topo dopo 37 settimane di dieta ricca di lipidi Possibilità di rivelare placche aterosclerotiche vulnerabili mediante rivelatori Single Photon 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

8. IMAGING CHARACTERISTICS OF A CURRENT COMMERCIAL SYSTEM • 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)

9. Misure in vivo @ JHU • Testare la fattibilità di una misura in vivo Ricostruzione tomografica con tecnica MIP (maximum-intensity-re-projections). I reni sono ben visibili. Topi ApoE -/-, 5 settimane Componenti Rivelatore: Pin Hole 0.5 mm Scintillatore CsI(Tl) 1.0 pitch Fotorivelatori H9500

10. emission fused emission fused emission fused fused fused lesion liver 27 weeks 37 weeks 20 weeks 40 weeks Monitoring Atherosclerosis in ApoE-/- Mice using 99mTc-HYNIC-Annexin-V SPECT Imaging TechniquesWalz-Flannigan et al., Johns Hopkins University, SNM ’06 paper #339 ApoE-/- #1253 (fed high fat diet) Coronal Images emission Sagittal Images Normalized OS-EM ( 4 iteration and 3 subsets), Butterworth filter cutoff .3 cyc/pixel

11. Lesion Profiles and Uptake 20 weeks 27 weeks 37 weeks normalized sagittal lesion profiles ApoE-/- 1253

12. NEW MODULAR DETECTOR DESIGN • Proposed modular detector • Being constructed & tested at Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) • Detector material • 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 Pixellated crystal MAPMT 2x2 array of Hamamatsu MAPMT prototype modular detector with a 2x2 array of Hamamatsu PAPMTs

13. PINHOLE- Improving spatial resolution o=3 cm o=3 cm o=3 cm d d d z L z L z L • different magnification • same # of ‘resolution elements’ • same ‘realizable’ resolution • same magnification • different # of ‘resolution elements’ • different ‘realizable’ resolution

14. 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 • 2.5 mCi di Tc99m-Annexin-V, • Dimensione topo di 8×3×2 cm3 • Attività tessuto ~ 10 nCi/cm3 • Attività placca~ 10/20*10 nCi/cm3 • Dimesione placca~ 0.5 × 1 × 4 mm3 Blankenberg FG et al, PNAS 95, (1998)

15. Results of Simulation “Shallow” Plaque Mid-deep Plaque T/B ratio T/B ratio Evaluation of S/N ratio using analytic algorithm

16. Array Image and Map Reconstruction (1) The Present

17. Array Image and Map Reconstruction (2) Possible Future

18. Possibili collaborazioni • 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

19. 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!