We investigated the potential of magnetic resonance imaging (MRI) to track magnetically labeled mesenchymal stem cells (MR-MSCs) in a swine myocardial infarction (MI) model.Adult farm pigs (n=5) were subjected to closed-chest experimental MI. MR-MSCs (2.8 to 16x107 cells) were injected intramyocardially under x-ray fluoroscopy. MRIs were obtained on a 1.5T MR scanner to demonstrate the location of the MR-MSCs and were correlated with histology. Contrast-enhanced MRI demonstrated successful injection in the infarct and serial MSC tracking was demonstrated in two animals.MRI tracking of MSCs is feasible and represents a preferred method for studying the engraftment of MSCs in MI.

Background— Recent results from animal studies suggest that stem cells may be able to home to sites of myocardial injury to assist in tissue regeneration. However, the histological interpretation of postmortem tissue, on which many of these studies are based, has recently been widely debated. Methods and Results— With the use of the high sensitivity of a combined single-photon emission CT (SPECT)/CT scanner, the in vivo trafficking of allogeneic mesenchymal stem cells (MSCs) colabeled with a radiotracer and MR contrast agent to acute myocardial infarction was dynamically determined. Redistribution of the labeled MSCs after intravenous injection from initial localization in the lungs to nontarget organs such as the liver, kidney, and spleen was observed within 24 to 48 hours after injection. Focal and diffuse uptake of MSCs in the infarcted myocardium was already visible in SPECT/CT images in the first 24 hours after injection and persisted until 7 days after injection and was validated by tissue counts of radioactivity. In contrast, MRI was unable to demonstrate targeted cardiac localization of MSCs in part because of the lower sensitivity of MRI. Conclusions— Noninvasive radionuclide imaging is well suited to dynamically track the biodistribution and trafficking of mesenchymal stem cells to both target and nontarget organs.

To identify an accurate and reproducible method to define myocardial infarct (MI) size, we conducted a study in a closed-chest canine model of acute myocardial infarction, in which MI size was measured using different thresholding techniques and by imaging at different delay times after contrast administration. The MI size by contrast-enhanced magnetic resonance imaging (CE-MRI) is directly related to long-term prognosis. However, previous measurements were done using nonuniform methods and tended to overestimate nonviable areas. Thirteen animals underwent 90 min of coronary artery occlusion, followed by reperfusion. The CE-MRI data were acquired within 24 h after reperfusion and compared with triphenyltetrazolium chloride pathology. In the first nine animals, images were obtained ∼15 min after gadolinium diethylene triamine penta-acetic acid (Gd-DTPA) using an inversion-recovery gradient-echo pulse sequence. To identify the most accurate method, MI size by CE-MRI was measured visually and by semi-automatic thresholding techniques, using different criteria. In four additional animals, images were acquired every 6 min until 30 min after Gd-DTPA. Postmortem MI size was 13.5 ± 2.6% of left ventricular volume. Semi-automatic techniques, using full-width at half-maximum (FWHM) criterion, correlated best with postmortem data (r2= 0.94, p < 0.001; results confirmed by Bland-Altman plots). Using FWHM, there was no difference in MI size between different delay times after contrast (15.2 ± 2.9% to 14.5 ± 4.2% at 6 and 30 min, respectively; p = NS). When an objective technique is used to define MI size by CE-MRI, accurate infarct size measurements can be obtained from images obtained up to 30 min after contrast administration.

Abstract Magnetic resonance (MR) tracking of superparamagnetic iron oxide (SPIO)‐labeled cells is a relatively new technique to non‐invasively determine the biodistribution and migration of transplanted stem cells. A number of studies have recently reported encouraging results in the use of bone marrow‐derived mesenchymal stem cells (MSCs) for repair of a variety of tissues. For MR tracking of SPIO‐labeled MSCs, it is important to determine the effect that the magnetic labeling procedure may have on the differentiation capacity of labeled MSCs. Human MSCs were labeled with poly‐ L ‐lysine (PLL)‐coated Feridex, with Feridex being an FDA‐approved SPIO formulation in an off‐label application, and assayed for cellular differentiation using five different assays. As compared with unlabeled controls, labeled MSCs exhibited an unaltered viability, proliferated similarly, and underwent normal adipogenic and osteogenic differentiation. However, there was a marked inhibition of chondrogenesis. The blocking of chondrogenic activity was mediated by the Feridex, rather than by the transfection agent (PLL). This is the first report showing Feridex blocking of cellular differentiation down a specific pathway (while not affecting viability and proliferation), and caution should thus be exercised when using Feridex‐labeled MSCs for chondrogenic MR tracking studies. On the other hand, no detrimental effects of Feridex‐labeling are anticipated for MR‐guided osteogenic or adipogenic transplantation studies. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.

Abstract Breast cancer rates are rising in low- and middle-income countries (LMICs), yet there is a lack of accessible and cost-effective treatment. As a result, the cancer burden and death rates are highest in LMICs. In an effort to meet this need, our work presents the design and feasibility of a low-cost cryoablation system using widely-available carbon dioxide as the only consumable. This system uses an 8-gauge outer-diameter needle and Joule-Thomson expansion to percutaneously necrose tissue with cryoablation. Bench top experiments characterized temperature dynamics in ultrasound gel demonstrated that isotherms greater than 2 cm were formed. Further, this system was applied to mammary tumors in an in vivo rat model and necrosis was verified by histopathology. Finally, freezing capacity under a large heat load was assessed with an in vivo porcine study, where volumes of necrosis greater than 1.5 cm in diameter confirmed by histopathology were induced in a highly perfused liver after two 7-minute freeze cycles. These results demonstrate the feasibility of a carbon-dioxide based cryoablation system for improving solid tumor treatment options in resource-constrained environments.

Abstract To investigate the potential of an affordable cryotherapy device for accessible treatment of breast cancer, the performance of a novel carbon dioxide-based device was evaluated through both benchtop and in vivo canine models. This novel device was quantitatively compared to a commercial device that utilizes argon gas as the cryogen. The thermal behavior of each device was characterized through calorimetry and by measuring the temperature profiles of iceballs generated in tissue phantoms. A 45-minute treatment from the carbon dioxide device in a tissue phantom produced a 1.67 ± 0.06 cm diameter lethal isotherm that was equivalent to a 7-minute treatment from the commercial argon-based device which produced a 1.53 ± 0.15 cm diameter lethal isotherm. In vivo validation was performed with the carbon dioxide-based device in one spontaneously occurring canine mammary mass with two standard 10-minutes freezes. Following cryotherapy, this mass was surgically resected and analyzed for necrosis margins via histopathology. The histopathology margin of necrosis from the in vivo treatment with the carbon dioxide device at 14 days post cryoablation was 1.57 cm. While carbon dioxide gas has historically been considered an impractical cryogen due to its low working pressure and high boiling point, this study shows that carbon dioxide-based cryotherapy may be equivalent to conventional argon-based cryotherapy in the size of the ablation zone in a standard treatment time. The validation of the carbon dioxide device performed in this study is an important step towards bringing accessible breast cancer treatment to women in low-resource settings.