Molecular imaging is used to improve the disease diagnosis, prognosis, monitoring of treatment in living subjects. Numerous molecular targets have been developed for various cellular and molecular processes in genetic, metabolic, proteomic, and cellular biologic level. Molecular imaging modalities such as Optical Imaging, Magnetic Resonance Imaging (MRI), Positron Emission Tomography (PET), Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT), and Computed Tomography (CT) can be used to visualize anatomic, genetic, biochemical, and physiologic changes in vivo. For in vivo cell imaging, certain cells such as cancer cells, immune cells, stem cells could be labeled by direct and indirect labeling methods to monitor cell migration, cell activity, and cell effects in cell-based therapy. In case of cancer, it could be used to investigate biological processes such as cancer metastasis and to analyze the drug treatment process. In addition, transplanted stem cells and immune cells in cell-based therapy could be visualized and tracked to confirm the fate, activity, and function of cells. In conventional molecular imaging, cells can be monitored in vivo in bulk non-invasively with optical imaging, MRI, PET, and SPECT imaging. However, single cell imaging in vivo has been a great challenge due to an extremely high sensitive detection of single cell. Recently, there has been great attention for in vivo single cell imaging due to the development of single cell study. In vivo single imaging could analyze the survival or death, movement direction, and characteristics of a single cell in live subjects. In this article, we reviewed basic principle of in vivo molecular imaging and introduced recent studies for in vivo single cell imaging based on the concept of in vivo molecular imaging.
Stem cells are the foundational cells for every organ and tissue in our body. Cell-based therapeutics using stem cells in regenerative medicine have received attracting attention as a possible treatment for various diseases caused by congenital defects. Stem cells such as induced pluripotent stem cells (iPSCs) as well as embryonic stem cells (ESCs), mesenchymal stem cells (MSCs), and neuroprogenitors stem cells (NSCs) have recently been studied in various ways as a cell-based therapeutic agent. When various stem cells are transplanted into a living body, they can differentiate and perform complex functions. For stem cell transplantation, it is essential to determine the suitability of the stem cell-based treatment by evaluating the origin of stem, the route of administration, in vivo bio-distribution, transplanted cell survival, function, and mobility. Currently, these various stem cells are being imaged in vivo through various molecular imaging methods. Various imaging modalities such as optical imaging, magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound (US), positron emission tomography (PET), and single-photon emission computed tomography (SPECT) have been introduced for the application of various stem cell imaging. In this review, we discuss the principles and recent advances of in vivo molecular imaging for application of stem cell research.
Clinical and preclinical in vivo immune cell imaging approaches have been used to study immune cell proliferation, apoptosis and interaction at the microscopic (intra-vital imaging) and macroscopic (whole-body imaging) level by use of ex vivo or in vivo labeling method. A series of imaging techniques ranging from non-radiation based techniques such as optical imaging, MRI, and ultrasound to radiation based CT/nuclear imaging can be used for in vivo immune cell tracking. These imaging modalities highlight the intrinsic behavior of different immune cell populations in physiological context. Fluorescent, radioactive or paramagnetic probes can be used in direct labeling protocols to monitor the specific cell population. Reporter genes can also be used for genetic, indirect labeling protocols to track the fate of a given cell subpopulation in vivo. In this review, we summarized several methods dealing with dendritic cell, macrophage, and T lymphocyte specifically labeled for different macroscopic whole-body imaging techniques both for the study of their physiological function and in the context of immunotherapy to exploit imaging-derived information and immune-based treatments.
Recent progress in the development of non-invasive imaging technologies continues to strengthen the role of molecular imaging biological research. These tools have been validated recently in variety of research models, and have been shown to provide continuous quantitative monitoring of the location(s), magnitude, and time-variation of gene delivery and/or expression. This article reviews the use of radionuclide, magnetic resonance, and optical imaging technologies as they have been used in imaging gene delivery and gene expression for molecular imaging applications. The studies published to date demonstrate that noninvasive imaging tools will help to accelerate pre-clinical model validation as well as allow for clinical monitoring of human diseases.
Small animal models are extensively utilized in the study of biomedical sciences. Current animal experiments and analysis are largely restricted to in vitro measurements and need to sacrifice animals to perform tissue or molecular analysis. This prevents researchers from observing in vivo the natural evolution of the process under study. Imaging techniques can provide repeatedly in vivo anatomic and molecular information noninvasively. Small animal imaging systems have been developed to assess biological process in experimental animals and increasingly employed in the field of molecular imaging studies. This review outlines the current developments in nuclear medicine imaging instrumentations including fused multi-modality imaging systems for small animal imaging.
Nuclear medicine imaging has an unique advantage of absolute quantitation of radioactivity concentration in body. Tracer kinetic analysis has been known as an useful investigation methods in quantitative study of in-vivo physiological function. The use of nuclear medicine imaging and kinetic analysis together can provide more useful and powerful intuition in understanding biochemical and molecular phenomena in body. There have been many development and improvement in kinetic analysis methodologies, but the conventional basic concept of kinetic analysis is still essential and required for further advanced study using new radiopharmaceuticals and hybrid molecular imaging techniques. In this paper, the basic theory of kinetic analysis and imaging techniques for suppressing noise were summarized.
The convergence of molecular and genetic disciplines with non-invasive imaging technologies has provided an opportunity for earlier detection of disease processes which begin with molecular and cellular abnormalities. This emerging field, known as molecular imaging, is a relatively new discipline that has been rapidly developed over the past decade. It endeavors to construct a visual representation, characterization, and quantification of biological processes at the molecular and cellular level within living organisms. One of the goals of molecular imaging is to translate our expanding knowledge of molecular biology and genomic sciences into good patient care. The practice of molecular imaging is still largely experimental, and only limited clinical success has been achieved. However, it is anticipated that molecular imaging will move increasingly out of the research laboratory and into the clinic over the next decade. Non-invasive in vivo molecular imaging makes use of nuclear, magnetic resonance, and in vivo optical imaging systems. Recently, an interest in Positron Emission Tomography (PET) has been revived, and along with optical imaging systems PET is assuming new, important roles in molecular genetic imaging studies. Current PET molecular imaging strategies mostly rely on the detection of probe accumulation directly related to the physiology or the level of reporter gene expression. PET imaging of both endogenous and exogenous gene expression can be achieved in animals using reporter constructs and radio-labeled probes. As increasing numbers of genetic markers become available for imaging targets, it is anticipated that a better understanding of genomics will contribute to the advancement of the molecular genetic imaging field. In this report, the principles of non-invasive molecular genetic imaging, its applications and future directions are discussed.
Yoo, Ran Ji;Lee, Kyochul;Kang, Joo Hyun;Lee, Yong Jin
Journal of Radiopharmaceuticals and Molecular Probes
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v.4
no.1
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pp.26-31
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2018
Macrophages play a key role in atherosclerotic plaque formation, but their participation has been discerned largely via ex vivo analyses of atherosclerotic lesions. Therefore, we aimed to identify atherosclerosis on noninvasive in vivo imaging using reporter gene system. This study demonstrated that recruitment of macrophages could be detected in atherosclerotic plaques of Apolipoprotein E knockout (ApoE-/-) mice with a sodium iodide symporter (NIS) gene imaging system using $^{99m}Tc-SPECT$. This novel approach to tracking macrophages to atherosclerotic plaques in vivo could have applications in studies of arteriosclerotic vascular disease.
Moon, Cheol;Kim, Eun Jung;Choi, Dan Bee;Kim, Byoung Soo;Kim, Sa Hyun;Choi, Tae Hyun
Biomedical Science Letters
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v.21
no.1
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pp.23-31
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2015
Recently, specific antibodies have been used extensively to diagnose and treat various diseases. It is essential to assess the efficacy and specificity of antibodies, especially the in vivo environment. Anti-HER-2/neu mAb was evaluated as a possible transporting agent for radioimmunotherapy. The monoclonal antibody was successfully radio-labeled with $^{131}I$. In vitro binding assays were performed to confirm its targeting ability using another radio-iodine, $^{125}I$. Binding percentage of $^{125}I$ labeled anti-HER-2/neu mAb in HER-2/neu expressing CT-26 cells was found to be 4.5%, whereas the binding percentage of $^{125}I$ labeled anti-HER-2/neu mAb in wild-type CT-26 was only 0.45%. In vivo images were obtained and analyzed through $\gamma$-camera and an optical fluorescent modality, IVIS-200. $\gamma$-camera images showed that $^{131}I$ labeled anti-HER-2/neu mAb accumulated in HER-2/neu CT-26 tumors. Optical imaging based on near infrared fluorescence labeled anti-HER-2/neu mAb showed higher fluorescence intensities in HER-2/neu CT-26 tumors than in wild-type CT-26 tumors. Anti-HER-2/neu mAb was found to specifically bind to its receptor expressing tumor. Our study demonstrates that in vivo imaging technique is a useful method for the evaluation of an antibody's therapeutic and diagnostic potentials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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