Type 1 diabetes (T1D) is characterized by the infiltration of autoreactive T-cells into the islet of Langerhans, and depletion of insulin-secreting beta-cells. This immune cell infiltration (insulitis) first occurs during an asymptomatic phase of T1D that can take place many years prior to clinical diagnosis. Methods to diagnose insulitis and changes in beta-cell mass during this asymptomatic phase are limited, thus precluding early therapeutic intervention. While therapeutic treatments can delay T1D progression, treatment efficacy is limited and widely varying, and a method to track this efficacy is also lacking. During T1D progression, the islet microvasculature increases permeability as a result of insulitis, in both mouse models of T1D and humans with T1D. This increased permeability can allow nanoparticles, such as contrast agents for diagnostic imaging, to access the islet microenvironment. Contrast enhanced ultrasound (CEUS) uses shell-stabilized gas bubbles to provide high acoustic backscatter in vasculature and tissue and is clinically approved. A novel, sub-micron sized nanobubble (NB) ultrasound contrast agent has been developed and shown to extravasate and accumulate in tumors, where microvascular permeability is high. To test whether CEUS can be used to measure increased islet microvasculature permeability and indicate the asymptomatic phase of T1D, we applied CEUS measurements with NBs in pre-clinical T1D models. NOD mice and mice receiving an adoptive-transfer of diabetogenic splenocytes showed accumulation of NBs specifically within the pancreatic islets, and only in the presence of insulitis. This accumulation was measured by both ultrasound contrast and histological analysis, and accumulation only occurred for sub-micron sized bubbles. Importantly, accumulation was detected as early as 4w in NOD mice. Thus, CEUS with sub-micron sized NB contrast agent may provide a predicative marker for disease progression early in asymptomatic T1D, as well as monitoring of disease prevention or reversal.

In type 1 diabetes (T1D) immune-cell infiltration into the islets of Langerhans (insulitis) and β-cell decline occurs many years before diabetes presents. Non-invasively detecting insulitis and β-cell decline would allow diagnosis of eventual diabetes and provide a means to monitor the efficacy of therapeutic intervention. However, there is a lack of validated clinical approaches for specifically and non-invasively imaging disease progression leading to T1D. Islets have a dense microvasculature that reorganizes during diabetes. We previously demonstrated contrast-enhanced ultrasound measurements of pancreatic blood-flow dynamics could predict disease progression in T1D pre-clinical models. Here we test whether these measurements can predict successful therapeutic treatment for T1D. We performed destruction-reperfusion measurements using a small-animal ultrasound machine and size-isolated microbubbles, in NOD-scid mice receiving an adoptive transfer of diabetogenic splenocytes (AT mice). Mice received vehicle control or either of the following treatments: 1) antiCD4 to deplete CD4+ T-cells; 2) antiCD3 to block T-cell activation, 3) Verapamil to reduce β-cell apoptosis and 4) TUDCA to reduce ER stress. We compared measurements of pancreas blood-flow dynamics with subsequent progression to diabetes. In AT mice blood-flow dynamics were altered >2 weeks after splenocyte transfer. AntiCD4, antiCD3 and verapamil provided a significant delay in diabetes development. Those treated AT mice with delayed or absent diabetes development showed significantly altered blood flow dynamics compared to untreated AT mice. Conversely, treated AT mice that developed diabetes, despite therapy, showed similar blood-flow dynamics to untreated AT mice. Thus, contrast-enhanced ultrasound measurement of pancreas blood-flow dynamics can predict the successful or unsuccessful delay or prevention of diabetes upon therapeutic treatments that target both immune activity or β-cell protection. This strategy may provide a clinically-deployable predictive marker for disease progression and therapeutic reversal in asymptomatic T1D.

Abstract Type 1 diabetes (T1D) results from immune infiltration and destruction of insulin-producing β-cells within the pancreatic islets of Langerhans (insulitis), resulting in loss of glucose homeostasis. Early diagnosis during pre-symptomatic T1D would allow for therapeutic intervention prior to substantial loss of β-cell mass at T1D onset. There are limited methods to track the progression of insulitis and β-cell mass decline in pre-symptomatic T1D. During insulitis, the islet microvasculature increases permeability, such that sub-micron sized particles can extravasate and accumulate within the islet microenvironment. Ultrasound is a widely deployable and cost-effective clinical imaging modality. However, conventional microbubble contrast agents are restricted to the vasculature. Sub-micron sized nanodroplet (ND) phasechange agents can be vaporized into micron-sized bubbles; serving as a circulating microbubble precursor. We tested if NDs extravasate into the immune-infiltrated islet microenvironment. We performed ultrasound contrast-imaging following ND infusion in NOD mice and NOD;Rag1ko controls, and tracked diabetes development. We measured the biodistribution of fluorescently labeled NDs, with histological analysis of insulitis. Ultrasound contrast signal was elevated in the pancreas of 10w NOD mice following ND infusion and vaporization, but was absent in both the non-infiltrated kidney of NOD mice and pancreas of Rag1ko controls. High contrast elevation also correlated with rapid diabetes onset. In pancreata of NOD mice, infiltrated islets and nearby exocrine tissue were selectively labeled with fluorescent NDs. Thus, contrast ultrasound imaging with ND phase-change agents can detect insulitis prior to diabetes onset. This will be important for monitoring disease progression to guide and assess preventative therapeutic interventions for T1D. Significance There is a need for imaging methods to detect type1 diabetes (T1D) progression prior to clinical diagnosis. T1D is a chronic disease that results from autoreactive T cells infiltrating the islet of Langerhans and destroying insulin-producing β-cells. Overt disease takes years to present and is only diagnosed after significant β-cells loss. As such, the possibility of therapeutic intervention to preserve β-cell mass is hampered by an inability to follow pre-symptomatic T1D progression. There are immunotherapies that can delay T1D development. However identifying ‘at risk’ individuals, and tracking whether therapeutic interventions are impacting disease progression, prior to T1D onset, is lacking. A method to detect insulitis and β-cell mass decline would present an opportunity to guide therapeutic treatments to prevent T1D.