Abstract Introduction Magnetic particle imaging (MPI) is a new imaging modality that sensitively and specifically detects superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) within a sample. SPION-based MRI cell tracking has very high sensitivity, but low specificity and quantification of iron labeled cells is difficult. MPI cell tracking could overcome these challenges. Methods MDM-AB-231BR cells labeled with MPIO, mice were intracardially injected with either 2.5 × 10 5 or 5.0 × 10 5 cells. MRI was performed in vivo the same day at 3T using a bSSFP sequence. After mice were imaged ex vivo with MPI. In a second experiment Mice received an intracardiac injection of either 2.5 × 10 5 or 5 × 10 4 MPIO-labeled 231BR cells. In a third experiment, mice were injected with 5 × 10 4 4T1BR cells, labelled with either MPIO or the SPION Vivotrax. MRI and MPI was performed in vivo. Results Signal from MPI and signal voids from MRI both showed more iron content in mice receiving an injection of 5.0 × 10 5 cells than the 2.5 × 10 5 injection. In the second experiment, Day 0 MRI showed signal voids and MPI signal was detected in all mouse brains. The MPI signal and iron content measured in the brains of mice that were injected with 2.5 × 10 5 cells were approximately four times greater than in brains injected with 5 × 10 4 cells. In the third experiment, in vivo MRI was able to detect signal voids in the brains of mice injected with Vivotrax and MPIO, although voids were fainter in Vivotrax labeled cells. In vivo MPI signal was only detectable in mice injected with MPIO-labeled cells. Conclusion This is the first example of the use of MPIO for cell tracking with MPI. With an intracardiac cell injection, approximately 15% of the injected cells are expected to arrest in the brain vasculature. For our lowest cell injection of 5.0 × 10 4 cells this is ∼10000 cells.

Abstract MPI directly detects superparamagnetic iron oxides (SPIONs), which should enable precise, accurate, and linear quantification. However, selecting a region of interest (ROI) has strong effects on MPI quantification results. Ideally, ROI selection should be simple, user-independent, and widely applicable. In this work, we describe and compare four MPI ROI selection methods and assess their performance in vitro and in vivo. To explore the effect of ROI selection, ten ferucarbotran phantoms were imaged, each contained the same amount of iron but varied in volume. Three users tested the accuracy of the ROI methods for quantification of these samples. Lastly, the four ROI methods were applied to quantify ferucarbotran in vivo after intravenous, intramuscular, and subcutaneous injections in mice. We demonstrate that each ROI method has strengths. We conclude there is an important trade-off between ROI size and the accuracy of iron quantification, therefore the choice of ROI selection method for each study must be carefully informed.

ABSTRACT The use of imaging to detect and monitor the movement and accumulation of cells in living subjects can provide significant insights that can improve our understanding of metastasis and guide therapeutic development. For cell tracking using Magnetic Resonance Imaging (MRI), cells are labeled with iron oxides and the effects of the iron on water provides contrast. However, due to low specificity and difficulties in quantification with MRI, other modalities and approaches need to be developed. Magnetic Particle Imaging (MPI) is an emerging imaging technique which directly detects magnetic iron, allowing for a specific, quantitative and sensitive readout. Here, we use MPI to image iron-labeled tumor cells longitudinally, from implantation and growth at a primary site to movement to distant anatomic sites. In vivo bioluminescent imaging (BLI) was used to localize tumor metastases and computed tomography (CT) allowed for correlation of these signals to anatomic locations. These three imaging modalities provide information on immune escape and metastasis of iron-labeled, and unlabeled, tumor cells, and the accumulation of cell-free iron contrast over time. We identified iron signals by MPI and tumor cells via BLI, and correlated these positive contrast images with CT scans to reveal the anatomic sites with cancer cells; histologic analysis confirmed the presence of iron-labeled tumor cells in the tissues, suggesting that the metastatic cells retained enough iron for MPI detection. The use of multi-modality cell tracking reveals the movement, accumulation and fates of labeled cells that will be helpful understanding cancer progression and guiding the development of targeted therapies.

ABSTRACT Background Despite widespread study of dendritic cell (DC)-based cancer immunotherapies, the in vivo post-injection fate of DC remains largely unknown. Due in part to a lack of quantifiable imaging modalities, this is troubling as the amount of DC migration to secondary lymphoid organs correlates with therapeutic efficacy. Preliminary studies have identified magnetic particle imaging (MPI) as a suitable modality to quantify in vivo migration of superparamagnetic iron oxide-(SPIO)-labeled DC. Herein, we describe a lymph node- (LN)-focused MPI scan to quantify DC in vivo migration accurately and consistently. Methods Both adenovirus (Ad)-transduced SPIO + (Ad SPIO + ) and SPIO + C57BL/6 bone marrow-derived DC were generated and assessed for viability and phenotype using flow cytometry. Ad SPIO + and SPIO + DC were fluorescently-labeled and injected into C57BL/6 mouse hind footpads (n=6). Two days later, in vivo DC migration was quantified using whole animal, popliteal LN- (pLN)-focused, and ex vivo pLN MPI scans. Results No significant differences in viability, phenotype and in vivo pLN migration were noted for Ad SPIO + and SPIO + DC. Day 2 pLN-focused MPI successfully quantified DC migration in all instances while whole animal MPI only quantified pLN migration in 75% of cases. Ex vivo MPI and fluorescence microscopy confirmed MPI signal was pLN-localized and due to originally-injected Ad SPIO + and SPIO + DC. Conclusions We overcame a reported limitation of MPI by using a pLN-focused MPI scan to quantify pLN-migrated Ad SPIO + and SPIO + DC in 100% of cases. With this improved method, we detected as few as 1000 DC (4.4 ng Fe) in vivo . MPI is a suitable pre-clinical imaging modality to assess DC-based cancer immunotherapeutic efficacy.

Abstract Immunotherapies, such as dendritic cell- (DC-)based therapies, are useful for treating cancer as an alternative to or in combination with traditional therapies. Cells must migrate to lymphoid organs to be effective and the magnitude of the ensuing T cell response is proportional to the number of lymph node-migrated DC. With less than 10% of cells expected to reach their destination, there is a need for an imaging modality capable of sensitively and quantitatively detecting cells. MRI has been used to track DC using iron and 19F methods, with limitations. Quantification of iron-induced signal loss is indirect and challenging; 19F signal is directly quantifiable but lacks sensitivity. Magnetic Particle Imaging (MPI) directly detects superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIO) and enables quantitation of low numbers of SPIO-labeled cells. Here we describe the first study using MPI to track and quantify the migration of DC, injected into the footpads of C57BL/6 mice, to the popliteal lymph nodes (pLNs). As DC migrate from the site of injection to the lymph nodes, we measured a decrease in signal in the footpads and an increase in signal at the pLNs. The presence of SPIO-labeled DC in nodes was validated by ex vivo MPI and histology. By measuring the iron mass per cell in samples of labeled cells, we were able to provide an estimate of cell number for each source of signal and we report a sensitivity of approximately 4000 cells in vivo and 2000 cells ex vivo . For some mice, MPI was compared to cellular MRI. We also bring attention to the issue of resolving unequal signals within close proximity, a challenge for many pre-clinical studies using a highly concentrated tracer bolus that over shadows nearby lower signals. This study demonstrates the clear advantage of MPI to detect and quantify cells in vivo , bridging the gap left by cellular MRI, and all other in vivo imaging modalities, and opening the door for quantitative imaging of cellular immunotherapies.

Abstract Purpose Magnetic particle imaging (MPI) and fluorine-19 ( 19 F) MRI produce images which allow for quantification of labeled cells. MPI is an emerging instrument for cell tracking, which is expected to have superior sensitivity compared to 19 F MRI. Our objective is to assess the cellular sensitivity of MPI and 19 F MRI for detection of mesenchymal stem cells (MSC) and breast cancer cells. Methods Cells were labeled with ferucarbotran or perfluoropolyether, for imaging on a preclinical MPI system or 3 Tesla clinical MRI, respectively. In vivo sensitivity with MPI and 19 F MRI was evaluated by imaging MSC that were administered by different routes. Results Using the same imaging time, as few as 4000 MSC (76 ng iron) and 8000 breast cancer cells (74 ng iron) were reliably detected with MPI, and 256,000 MSC (9.01 × 10 16 19 F atoms) were detected with 19 F MRI, with SNR > 5. In vivo imaging revealed reduced sensitivity compared to ex vivo cell pellets of the same cell number. Conclusion MPI has the potential to be more sensitive than 19 F MRI for cell tracking. We attribute reduced MPI and 19 F MRI cell detection in vivo to the effect of cell dispersion among other factors, which are described.

Osteoarthritis (OA) is characterized by cartilage degradation and chronic joint inflammation. Mesenchymal stem cells (MSCs) have shown promising results in OA, but their mechanism of action is not fully understood. We hypothesize that MSCs polarize macrophages, which are strongly associated with joint inflammation to more homeostatic sub-types. We tracked ferumoxytol (Feraheme™, iron oxide nanoparticle)-labeled murine MSCs (Fe-MSCs) in murine OA joints, and quantified changes to homeostatic macrophages. 10-week-old C57BL/6 male mice (n=5/group) were induced to undergo osteoarthritis by destabilization of medical meniscus (DMM) or sham surgery. 3 weeks post-surgery, mice were injected intra-articularly with either fluorescent dye-(DiR) labeled or DiR+ferumoxytol-labeled (DiR+Fe) bone marrow mesenchymal stem cells (MSC, 50x103 MSCs/mouse) or saline (control), to yield 4 groups (n=5 per group for each timepoint [1, 2 and 4weeks]): i) DMM+Saline; ii) DMM+DiR+Fe-MSC; iii) DMM+DiR MSC; iv) SHAM+DiR+Fe-MSC and saline in contralateral knee. 4 weeks after injection, mice were imaged by MRI, and scored for i) OARSI to determine cartilage damage and ii) immunohistochemical changes in CD206, F480 and Prussian Blue/Sca-1 to detect homeostatic macrophages, total macrophages and ferumoxytol-labeled MSCs respectively. Ferumoxytol-labeled MSCs persisted in DMM knee joints at greater levels than in SHAM-MSC knee joints. We observed no difference in OARSI scores between MSC and vehicle groups. Sca-1 and Prussian Blue co-staining confirmed the ferumoxytol label resides in MSCs, although some ferumoxytol label was detected in proximity to MSCs in macrophages, likely due to phagocytosis of apoptotic MSCs, increasing functionality of these macrophages through MSC efferocytosis. We showed decreased MRI synovitis scores in MSC-treated compared to control animals. For the first time we show that MSC-treated OA mice had increased macrophage infiltration (p<0.08) with an increased proportion of CD206+ (homeostatic) macrophages (p<0.01), supporting our hypothesis that MSCs modulate synovial inflammation.

Abstract Magnetic Particle Imaging (MPI) directly detects superparamagnetic iron oxide (SPIO) labeled cells. We have used MPI to detect SPIO-labeled dendritic cells (DC) migrated to the popliteal lymph nodes (pLN) after injection into the hind footpads. However, in some cases the low pLN signal could not be resolved from nearby higher footpad signal where window leveling to pLN signal oversaturated the footpad signal. The same limitation occurs when SPIO is injected intravenously, accumulates in the liver, and prevents isolation of regions of interest with lower signals. Previous studies have reported on the issue of resolving a wide range of differing iron concentration. A small focused field of view (FOV), to exclude high sources of nearby signal cannot be performed with the standard reconstruction algorithm equipped on the MomentumTM MPI scanner because it is assumed that there is no signal at the edge of the FOV and these values are set to zero for each line along the transmit axis. However, when there is signal at the FOV edge, an inverted negative artifact is created. The multichannel joint reconstruction method uses an iterative reconstruction technique to recover edge information using information from an orthogonal axis, preventing this artifact and allowing the user to prescribe a small FOV on the region of interest. Here we describe the implementation of this method to isolate and quantify low regions of MPI signal from higher regions.

Purpose: New ways to target and treat metastatic disease are urgently needed. Tumour self-homing describes the recruitment of circulating tumour cells (CTCs) back to a previously excised primary tumour location, contributing to tumour recurrence, as well as their migration to established metastatic lesions. Recently, self-homing CTCs have been exploited as delivery vehicles for anti-cancer therapeutics in preclinical primary tumour models. However, the ability of CTCs to self-home and treat metastatic disease is largely unknown. Methods: Here, we employ molecular imaging to explore whether systemically-administered CTCs home to metastatic lesions and if CTCs armed with both a reporter gene and a cytotoxic prodrug gene therapy can be used to visualize and treat metastatic disease. Results: Bioluminescence imaging (BLI) performed over time revealed a remarkable ability of CTCs to home to primary and metastatic tumours throughout the body. Mice that received therapeutic CTCs had less BLI signal as well as less primary tumour burden than control mice. Preliminary data also showed self-homing therapeutic CTCs may be effective at treating disseminated breast cancer metastases. Conclusion: Using dual-luciferase BLI, this study demonstrates the noteworthy ability of experimental CTCs to home to disseminated breast cancer lesions. Moreover, by incorporating a prodrug gene therapy system into our self-homing CTCs, we show exciting progress towards effective and targeted delivery of gene-based therapeutics to treat both primary and metastatic lesions.

Due to their innate tumour homing capabilities, in recent years, CTCs have been engineered to express therapeutic genes for targeted treatment of primary and metastatic lesions. Additionally, previous studies have incorporated optical or PET imaging reporter genes to enable noninvasive monitoring of therapeutic CTCs in preclinical tumour models. Here, we demonstrate for the first time, the ability of magnetic particle imaging (MPI) to sensitively detect systemically administered iron-labeled CTCs and to visualize tumour self-homing in a murine model of human breast cancer.