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.

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.

Metastasis is the leading cause of mortality in breast cancer patients, with brain metastases becoming increasingly prevalent. Studying this disease is challenging due to the limited experimental models and methods available. Here, we used iron-based cellular MRI to track the fate of a mammary carcinoma cell line (MDA-MB-231-BR) in vivo to characterize the growth of brain metastases in the nude and severely immune-compromised NOD/SCID/ILIIrg-/- (NSG) mouse. Nude and NSG mice received injections of iron-labeled MDA-MB-231-BR cells. Images were acquired with a 3T MR system and assessed for signal voids and metastases. The percentage of signal voids and the number and volume of metastases were quantified. Ex vivo imaging of the liver, histology, and immunofluorescence labeling was performed. On day 0, iron-labeled cells were visualized as signal voids throughout the brain. The percentage of voids decreased significantly between day 0 and endpoint. At endpoint, there was no difference in the number of brain metastases or tumour burden in NSG mice compared to nudes. Tumour volumes in nude mice were significantly larger than in NSG mice. Body images indicated that the NSG mice had metastases in the liver, lungs, and lymph nodes. Characterization of the NSG and nude mouse is necessary to study breast cancer brain metastasis in vivo. Here, we show that the 231BR cell line grew differently in NSG mice compared to nude mice. This work demonstrates the role that imaging can play toward credentialing these models that cannot be done with other in vitro or histopathologic methods alone.

Magnetic particle imaging (MPI) is being explored in biological contexts that require accurate and reproducible quantification of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). While many groups have focused on improving imager and SPION design to improve resolution and sensitivity, few have focused on improving quantification and reproducibility of MPI. The aim of this study was to compare MPI quantification results by two different systems and the accuracy of SPION quantification performed by multiple users at two institutions.Six users (3 from each institute) imaged a known amount of Vivotrax+ (10 μg Fe), diluted in a small (10 μL) or large (500 μL) volume. These samples were imaged with or without calibration standards in the field of view, to create a total of 72 images (6 users x triplicate samples x 2 sample volumes x 2 calibration methods). These images were analyzed by the respective user with two region of interest (ROI) selection methods. Image intensities, Vivotrax+ quantification, and ROI selection was compared across users, within and across institutions.MPI imagers at two different institutes produce significantly different signal intensities, that differ by over 3 times for the same concentration of Vivotrax+. Overall quantification yielded measurements that were within ± 20% from ground truth, however SPION quantification values obtained at each laboratory were significantly different. Results suggest that the use of different imagers had a stronger influence on SPION quantification compared to differences arising from user error. Lastly, calibration conducted from samples in the imaging field of view gave the same quantification results as separately imaged samples.This study highlights that there are many factors that contribute to the accuracy and reproducibility of MPI quantification, including variation between MPI imagers and users, despite pre-defined experimental set up, image acquisition parameters, and ROI selection analysis.

Abstract There is momentum towards implementing patient-derived xenograft models (PDX) in cancer research to reflect the histopathology, tumour behavior, and metastatic properties observed in the original tumour. These models are more predictive of clinical outcomes and are superior to cell lines for preclinical drug evaluation and therapeutic strategies. To study PDX cells preclinically, we used both bioluminescence imaging (BLI) to evaluate cell viability and magnetic particle imaging (MPI), an emerging imaging technology to allow for detection and quantification of iron nanoparticles. The goal of this study was to develop the first successful iron labeling method of breast cancer cells derived from patient brain metastases and validate this method with imaging during tumour development. Luciferase expressing human breast cancer PDX cells (F2-7) were successfully labeled after incubation with micron-sized iron oxide particles (MPIO; 25 μg Fe/mL). NOD/SCID/ILIIrg -/- (n=5) mice received injections of 1×10 6 iron-labeled F2-7 cells into the fourth mammary fat pad (MFP). BLI was performed longitudinally to day 49 and MPI was performed up to day 28. In vivo BLI revealed that signal increased over time with tumour development. MPI revealed decreasing signal in the tumours and increasing signal in the liver region over time. Here, we demonstrate the first application of MPI to monitor the growth of a PDX MFP tumour. To accomplish this, we also demonstrate the first successful labeling of PDX cells with iron oxide particles. Imaging of PDX cells provides a powerful system to better develop personalized therapies targeting breast cancer brain metastasis.