Abstract Vascular calcification is a complex biological process that is a hallmark of atherosclerosis. While macrocalcification confers plaque stability, microcalcification is a key feature of high-risk atheroma and is associated with increased morbidity and mortality. Positron emission tomography and X-ray computed tomography (PET/CT) imaging of atherosclerosis using 18 F-sodium fluoride ( 18 F-NaF) has the potential to identify pathologically high-risk nascent microcalcification. However, the precise molecular mechanism of 18 F-NaF vascular uptake is still unknown. Here we use electron microscopy, autoradiography, histology and preclinical and clinical PET/CT to analyse 18 F-NaF binding. We show that 18 F-NaF adsorbs to calcified deposits within plaque with high affinity and is selective and specific. 18 F-NaF PET/CT imaging can distinguish between areas of macro- and microcalcification. This is the only currently available clinical imaging platform that can non-invasively detect microcalcification in active unstable atherosclerosis. The use of 18 F-NaF may foster new approaches to developing treatments for vascular calcification.

Dynamic nuclear polarization of (13)C-labeled cell substrates has been shown to massively increase their sensitivity to detection in NMR experiments. The sensitivity gain is sufficiently large that if these polarized molecules are injected intravenously, their spatial distribution and subsequent conversion into other cell metabolites can be imaged. We have used this method to image the conversion of fumarate to malate in a murine lymphoma tumor in vivo after i.v. injection of hyperpolarized [1,4-(13)C(2)]fumarate. In isolated lymphoma cells, the rate of labeled malate production was unaffected by coadministration of succinate, which competes with fumarate for transport into the cell. There was, however, a correlation with the percentage of cells that had lost plasma membrane integrity, suggesting that the production of labeled malate from fumarate is a sensitive marker of cellular necrosis. Twenty-four hours after treating implanted lymphoma tumors with etoposide, at which point there were significant levels of tumor cell necrosis, there was a 2.4-fold increase in hyperpolarized [1,4-(13)C(2)]malate production compared with the untreated tumors. Therefore, the formation of hyperpolarized (13)C-labeled malate from [1,4-(13)C(2)]fumarate appears to be a sensitive marker of tumor cell death in vivo and could be used to detect the early response of tumors to treatment. Given that fumarate is an endogenous molecule, this technique has the potential to be used clinically.

To assess the feasibility of sodium-23 MRI for performing quantitative and non-invasive measurements of total sodium concentration (TSC) and relaxation in a variety of abdominal organs.

Clinical imaging tools to probe aggressiveness of renal masses are lacking, and T2-weighted imaging as an integral part of magnetic resonance imaging protocol only provides qualitative information. We developed high-resolution and accelerated T2 mapping methods based on echo merging and using k-t undersampling and reduced flip angles (TEMPURA) and tested their potential to quantify differences between renal tumour subtypes and grades.

Motivation: Clinical translation of hyperpolarized 13C-fumarate has the potential to enable early, non-invasive assessment of treatment response in cancer. Goal(s): To advance a novel hyperpolarized probe from the laboratory to the clinic. Approach: Translation involved optimizing clinical scale hyperpolarization, establishing an imaging protocol at clinical field strength (3T), preclinical toxicology and first in-human injections. Results: 13C-fumarate showed good hyperpolarization properties and the imaging protocol achieved sufficient spectral separation of peaks and spatial separation of phantoms respectively. Toxicological assessment demonstrated the safety of 13C-fumarate, no adverse events observed in rodents and humans have so far been observed. Impact: While promising preclinical molecules exist, clinical hyperpolarized 13C MRI lacks probe versatility due to a complex, unclear translation process. This study on fumarate narrows the gap between preclinical and clinical utility and fosters transparent clinical translation pipelines for the field.

Motivation: Abdominal imaging of orally-administered deuterium-labelled tracers can be hindered by artifacts arising from excessive stomach signal. Goal(s): To establish and optimize methods for acquisition of abdominal deuterium metabolic imaging in conjunction with orally-administered tracers. Approach: A flexible transmit-receive surface coil was used to image naturally abundant deuterium in healthy volunteers and orally-administered D2O in a patient with renal cancer. Results: Water and lipid peaks were repeatably fit with high confidence both in unlocalised spectra and voxels extracted from MRSI in the liver, kidney, and spleen. Artifacts were minimal even 12 minutes after tracer ingestion. Impact: Feasibility of abdominal deuterium imaging at 3T was demonstrated using a flexible surface coil. We obtained consistent water measurements in healthy volunteers and good images in a patient with a left-sided renal tumour even just 12 min after drinking D2O.

Metastatic melanoma carries a poor prognosis despite modern systemic therapies. Understanding the evolution of the disease could help inform patient management. Through whole-genome sequencing of 13 melanoma metastases sampled at autopsy from a treatment naive patient and by leveraging the analytical power of multi-sample analyses, we reveal that metastatic cells may depart the primary tumour very early in the disease course and follow a branched pattern of evolution. Truncal UV-induced mutations that often swamp downstream analyses of heterogeneity, were found to be replaced by APOBEC-associated mutations in the branches of the evolutionary tree. Multi-sample analyses from a further 7 patients confirmed that branched evolution was pervasive, representing an important mode of melanoma dissemination. Our analyses illustrate that combining cancer cell fraction estimates across multiple metastases provides higher resolution phylogenetic reconstructions relative to single sample analyses and highlights the limitations of accurately inferring inter-tumoural heterogeneity from a single biopsy.

Motivation: Sodium homeostasis is altered in abdominal pathologies such as cancer and cardiovascular disease, but established quantification techniques require an invasive biopsy. Goal(s): Quantification of abdominal sodium content and T2* relaxation in abdominal organs and fluid-filled structures using 23Na-MRI. Approach: Proton and sodium imaging of the abdomen was performed in 18 healthy volunteers using a 3D cones sequence and a sodium-tuned body coil on a clinical 3 T system. Results: Mean total sodium concentration and long T2* relaxation times were measured in 8 organs and fluid-filled structures; results agreed with previously published work in human and animal models. Impact: Quantitative 23Na-MRI measurements in healthy volunteers will serve as a baseline to evaluate pathological changes in hypertension and kidney tumour characterisation. This may assist in the assessment of treatment efficacy, thereby reducing the need for invasive biopsy techniques.