3D-printed phantoms for evaluating sensitivity and detection limits of fluorophore-labelled nanomedicines in FMT/CT imaging

Motta, Alessandro; Lammers, Twan; Bartneck, Matthias

doi:HT030644566

3D-printed phantoms for evaluating sensitivity and detection limits of fluorophore-labelled nanomedicines in FMT/CT imaging = 3D-gedruckte Phantome zur Bewertung von Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen von Fluorophor-markierten Nanomedikamenten in der FMT/CT Bildgebung

Motta, Alessandro^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alessandro Motta

ImpressumAachen 2024

Umfang100 Seiten : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Lammers, Twan (Thesis advisor)^RWTH* ; Bartneck, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-29

Online
URL: http://digitale-objekte.hbz-nrw.de/storage2/2024/05/06/file_4/9552043.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Experimentelle Molekulare Bildgebung (811003-3 ; 924210)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D-printing (frei) ; NIR (frei) ; fluorescence (frei) ; optical imaging (frei) ; phantom (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit dem Prototyping von Phantomen zur Bewertung der Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen von Kontrastmitteln mittels Fluoreszenz-Reflexions-Bildgebung (FRI) und Fluoreszenz-vermittelter Tomographie kombiniert mit Mikro-Computertomographie (FMT/CT). Das verwendete Kontrastmittel für die optische Bildgebung war eine Nanoformulierung, die mit der nah-infrarot Sonde Cy7 dekoriert war. Computergestützte Modellierungs- und 3D-Drucktechniken wurden eingesetzt, um unterschiedliche Mehrkanal-Phantome auf Basis von thermoplastischen Materialien herzustellen und so die Nachweisgrenze des FMT/CT-Systems zu bestimmen, sowie die Nachweisempfindlichkeit zu definieren mittels des Scannens verschiedener Konzentrationsbereiche der Cy7-Formulierung. Das Mehrkanal-Phantom erleichterte im Vergleich zu Single-Well-Phantomen eine schnelle und effiziente Datenerfassung. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen optischen Eigenschaften von Materialien, die für 3D-Drucken verwendet werden, wurden Konstrukte aus verschiedenen Materialien systematisch spektrophotometrisch auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Schlussendlich wurde eine Ganzkörper- und Organsegmentierung (Herz, Leber) der Maus aus einem In-vivo-Datensatz erfasst, um relevante Formen und (Organ-) Volumen zu extrahieren. Diese Analyse wurde verwendet, um ein 3D-gedrucktes mausähnliches Phantom mit ausnehmbaren und mit Kontrastmittel befüllbaren Organen zu erzeugen, wodurch eine Fluoreszenzdetektion von für Nanowirkstoffen relevanten Organen simuliert werden konnte. Insgesamt integriert diese Arbeit 3D-Druckansätze und optischer Analysen mittels FRI, FMT/CT und Spektrophotometrie zur Herstellung und Anwendung von Phantomen, die zur Bewertung der Empfindlichkeit von NIR-Farbstoff-markierten Kontrastmitteln und Nanowirkstoffen verwendet werden können.

This thesis describes the prototyping of custom phantoms for assessing the sensitivity and detection limits of contrast agents via fluorescence reflectance imaging (FRI) and fluorescence-mediated tomography combined with micro-computed tomography (FMT/CT). The optical imaging agent employed was a nano-scale liposome formulation labeled with the near-infrared (NIR) fluorophore Cy7, with a clinically relevant composition and used at representative preclinical concentrations. Computer-aided modeling and 3D-printing techniques were employed to manufacture multi-channel phantoms with different thermoplastic materials, and subsequently, to recognize the low-end detection limit of the FMT/CT system, as well as to define its detection sensitivity by scanning various broad and narrow concentration ranges of the Cy7-nanoformulation. The multi-channel phantom facilitated the rapid acquisition and data collection in comparison to single-well phantoms. In addition, considering the different optical properties of the materials used for 3D printing, constructs composed of different materials were systematically scanned for their optical features by spectrophotometry. As a final proof of concept, mouse whole-body and key organ (heart, liver) segmentation from an in vivo dataset were averaged to extract relevant shapes and volumes, in order to generate a 3D-printed mouse-like phantom with removable and contrast agent- fillable organs, thereby allowing for simulation of fluorescence detection in organs relevant for assessing nanoparticle performance in vivo. Altogether, this thesis integrates 3D-printing approaches together with optical imaging analysis via FRI, FMT/CT and spectrophotometry for manufacturing and evaluating biomimetic phantoms towards the assessment of the sensitivity and detection limits of NIR probes and NIR-labelled nanomedicine formulations.

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