liver.dk > Forskning
Leverens fysiologi og patofysiologi undersøgt med PET

Formålet med lever-PET gruppens arbejde er at opnå bedre forståelse af den raske levers funktioner og ændringer heri ved leversygdom. Vi håber hermed at bedre behandlingen af mennesker med leversygdom, inkl. kræft i leveren.

Vi anvender dels traditionelle invasive balance metoder med blodprøver fra til- og fraførende blod til måling af leverens samlede funktion, dels PET/CT undersøgelser til ekstern måling af leverens gennemblødning og stofskifte-processer med 3-dimensionelle billeder.

Leveren har mange funktioner af essentiel betydning for opretholdelse af liv og helbred. Stoffer, som absorberes fra tarmene føres via portåren til leveren, hvor fødemidler og for eksempel medicin filtreres inden de når det systemiske kredsløb, omdannet eller uomdannet, eller udskilles i galden. F.eks. sukkerstoffer deponeres i leveren under fødeindtagelse og frigives under faste. Nye substanser syntetiseres efter behov, bl.a. en lang række hormoner samt for eksempel koagulationsfaktorer, der har betydning for blodets evne til at størkne. Via de små galdegange udskilles bl.a. galdesalte, som har betydning for absorption af fedtopløselige næringsstoffer i tyndtarmen. Disse funktioner påvirkes alle i større eller mindre grad ved sygdom i leveren.

Vor filosofi er, at kun undersøgelsesmetoder som er solidt forankrede i leverens faktiske fysiologi og patofysiologi, kan bidrage med væsentlig ny indsigt og være til virkelig gavn for leversyge patienter. Ved PET undersøgelser af leveren tager vi derfor hensyn til leverens sporstoftilførsel via både portåren og leverens pulsåre, leverens særlige mikrocirkulation gennem sinusoiderne, hvor substanser i blodet kommer i direkte kontakt med levercellerne samt leverens specielle galdedannelse.

Vort arbejde strækker sig fra ideer til eksperimentelle undersøgelse i grise med test af nye PET/CT metoder, udvikling af nye sporstoffer, forsøg hos mennesker og klinisk afprøvning hvis vi vurderer at metoden kan være klinisk anvendelig og klinisk anvendelse i det daglige arbejde med patienter med leversygdom. Dette arbejde foregår i tæt tværfagligt samarbejde mellem leverlæger, kirurger, radiologer, nuklearmedicinere, fysikere, kemikere og matematikere.

.

Lever-PET-projekterne kan inddeles i fire områder:
  1. Leverens blodforsyning og udveksling af stoffer med blodet
  2. Regional leverfunktion målt med PET
  3. Hepatisk encefalopati
  4. Kræft i leveren

Oversigtsartikler om vores arbejde:

Keiding S, Sørensen S, eds. Functional Molecular Imaging in Hepatology. Sharjah, UAE: Bentham Science Publishers 2012

Keiding S. Bringing physiology into PET of the liver. J Nucl Med 2012; 53: 425—433.

Sørensen M, Keiding S, Positron emission tomography of the liver. In Textbook of Hepatology: From Basic Science to Clinical Practice, 3. ed. (eds. Rodés J, Benhamou JP, Blei A, Reichen J and Rizzetto M), Blackwell, 2007, pp. 561—566.

Keiding S, Sørensen M. Hepatic removal kinetics: importance for quantitative measurements of liver function. In Textbook of Hepatology: From Basic Science to Clinical Practice, 3. ed. (eds. Rodés J, Benhamou JP, Blei A, Reichen J and Rizzetto M), Blackwell, 2007, pp. 468—478.

Bass L, Keiding S. Physiologically based models and strategic experiments in hepatic pharmacology. Biochem Pharmacol 1988; 37: 1425—1431.

.
[Projekter]       [Top]

1. Leverens blodforsyning og udveksling af stoffer med blodet



Leveren modtager blod fra tarmene via portåren og fra lever-pulsåren (Fig. 1). Blodet blandes i sinusoiderne (leverens særlige kapillærer), som har gennemhullede vægge, således at de fleste stoffer nemt kan passere direkte fra blod til hepatocytterne (levercellerne) (Fig. 2). Fra sinusoiderne samles blodet i levervenerne, som tømmer sig i den store hulvene i kroppens store kredsløb. 30-40 % af leveren udgøres af blod, og fra levercellernes overflade udgår utallige foldninger ud i sinusoiderne, hvilket giver en meget stor overflade af hepatocytterne ud i blodet. Leverens opbygning og blodforsyning er således optimal for udveksling af stoffer med blodet.


Fig. 3 viser et eksempel på analyse af blodprøver fra leverens blodårer, relationen mellem clearance af stoffer der fjernes fra blodet af leveren og leverens gennemblødning.

Måling af stofskifteprocesser med PET. En PET-undersøgelse indebærer administration af radioaktivt mærket sporstof i blodårerne eller som inhalation. Tidsforløbet af radioaktivitets-koncentration i væv (PET scanner) og tilførende blod (blodprøver) registreres herefter. Data fra en sådan dynamisk scanning analyseres ved hjælp af en passende model for omsætningen af det anvendte sporstof som for eksempel i Fig. 4. Sporstoffet er typisk et naturligt forekommende stof (f.eks. sukker, aminosyrer), en analog heraf (18F-deoxy-glukose, 18F-FDG), et lægemiddel eller en galdesyre, der udskilles i galden.



Leverens dobbelte blodforsyning i relation til PET. Som illustreret i Fig. 5, følges en bolusinjektion af sporstof i en perifer vene af hurtig stigning af koncentrationen af sporstoffet i leverens pulsåre (Hepatic Artery, HA) til en top, fulgt af et hurtigt fald, mens koncentration af sporstof i portåren (Portal Vein, PV) stiger langsommere. Den samlede sporstoftilførsel indgår i analysen af PET data og kan beregnes som et gennemsnit (dual input), hvor man tager hensyn til gennemblødningen (flow, F) i de to kar:





I griseforsøg kan sporstoftilførslen i portåren og pulsåren måles direkte med blodprøver, men hos mennesker er det ikke muligt at tage blodprøver fra portåren. For stoffer, der ikke omsættes eller fordeles i tarmene, kan sporstof-tilførsel fra portåren i praksis ignoreres, hvis man blot vil beregne netto-optagelse af stoffet. Hvis der er omsætning af stoffet i tarmene, eller hvis man ønsker at beregne mere specifikke hastighedskonstanter og parametre for optagelsen og omsætning af stoffet, er det nødvendigt at kende leverens samlede sporstoftilførsel (CDual). Dette muliggør til gengæld differentieret måling af gennemblødning af levervæv, sporstoffets transport over cellemembran og dets omsætning inde i cellen og evt. udskillelse i galden.

Vi arbejder på at udvikle PET/CT-metoder, som uden blodprøver kan bidrage med disse data med henblik på anvendelse hos mennesker. Vi har udviklet matematiske modeller for overførsel af sporstof fra tarmenes pulsåre til portåren; ved hjælp af denne ”transfer” funktion kan sporstof-koncentration i portåren beregnes fra sporstofkoncentrationen målt i en pulsåre for en række sporstoffer. Modellerne er valideret i griseforsøg, hvor sammenligning af model-beregnet portårekoncentration viser god overensstemmelse med målte koncentrationer. Med anvendelse af FHA/(FHA + FPV) = 0.25 kan man således beregne CDual for en række sporstoffer. Dette har muliggjort udvikling af beregning af leverens regionale blodgennemstrømning i griseleveren ved hjælp af 3 minutters skanning efter bolusinjektion af 18F-FDG. Og vi har overført metoden til mennesker med anvendelse af 18F-FDGal; et af perspektiverne her er at en 30 minutters dynamisk skanning efter bolusinjektion af galaktose-sporstoffet 18F-FDGal kan bruges både til måling af leverens blodgennemstrømning og dens regionale funktionsniveau som omtalt i afsnit 2.

Kompartment-modeller og leverens mikrocirkulation. Analyse af dynamiske PET-skanninger udføres oftest med standard kompartment-modeller. I disse modeller betragtes sporstof og eventuelle omdannelsesprodukter som forekommende i separate rum (kompartment’s), og det antages, at stofferne til enhver tid har den samme koncentration overalt inden for hvert kompartment (Fig. 6, til venstre). Stofferne udveksles mellem flere kompartment’s som en funktion af tiden efter sporstof-injektion beskrevet med hastighedskonstanter, som beskriver denne udveksling. Det antages således, at der er den samme blodkoncentration i hele sinusoiden fra indløb til udløb. Fra et praktisk synspunkt er disse modeller ofte nyttige, men de afviger åbenlyst fra normal leverfysiologi, idet blodet igennem sinusoiderne som i parallelle rør (Fig. 6, højre side). Når et PET-sporstof passerer gennem sinusoiderne, udvikles tids- og rum-afhængige koncentrationsgradienter. PET-kameraet registrerer det rumlige gennemsnit af koncentrationen til ethvert tidspunkt. Vi har anvendt en sådan model til bestemmelse af levergennemblødningen med dynamisk 15O-kulilte-PET i griseforsøg. Dette er ikke muligt med den traditionelle kompartment-model, som ikke indeholder gennemblødning (flow, F) som parameter.



Perspektiver. Ovennævnte illustrerer nogle af de principper, som vor lever-PET forskning tager udgangspunkt i. Vort mål er at udvikle noninvasive dynamiske PET/CT-metoder til måling af leverens gennemblødning og specifikke stofskifteprocesser hos raske og leversyge mennesker baseret på et fysiologisk korrekt grundlag. Derved kan vi opnå ny og banebrydende viden om leverens fysiologi og patofysiologi, som kan være til gavn for de mange patienter, der lider af leversygdom.

Link til vores publikationer

.
[Projekter]       [Top]

2. Regional leverfunktion målt med PET

Vi arbejder på at udvikle PET/CT-metoder til specifik måling af en række leverfunktioner hos mennesker uden anvendelse af blodprøver (non-invasivt). Det drejer sig om omsætningen af sukkerstoffer, ammoniak, aminosyrer, kulilte, galdesyrer og forskellige lægemidler. Metoderne udvikles i griseforsøg ved sammenligning med resultater fra invasive metoder med katetre i blodårerne, blodprøver, vævsprøve-analyser mv.

Galaktose er et sukkerstof, der næsten kun omsættes i leveren, og vi har udviklet en ny metode til at måle leverens funktion vha. PET/CT, hvor vi bestemmer leverens evne til at fjerne et stof afledt af galaktose, 18F-deoxy-galaktose (18F-FDGal). Dette afspejler optagelsen af galaktose og giver mulighed for at skabe 3-dimensionelle billeder af leverens omsætning af galaktose. Man kan således indtegne et område i leveren og måle funktionsniveauet i det specifikke område. Fig. 7 illustrerer den specifikke optagelse af 18F-FDGal i leveren hos en rask person; undersøgelser viser, at optagelsen af 18F-FDGal hos patienter med skrumpelever (cirrose) er lavere og ujævnt fordelt i leveren. Denne nye PET-metode kan anvendes til at differentiere mellem regionale forskelle i leverens stofskifte hos patienter med skrumpelever eller kræft i leveren. Sådanne metoder vil være meget nyttige ved behandling af patienter med leversygdom, for eksempel til at vurdere, om en patient med leverkræft kan tåle af få fjernet den nødvendige del af leveren for at blive helbredt for kræftsygdommen.


Leveren danner galde, som under faste opbevares i galdeblæren. I forbindelse med fødeindtagelse udtømmes galde i tarmen. Galdesaltene virker opløsende på fødens fedt og fedtopløselige stoffer og medvirker herved til optagelse af disse substanser fra tarmene. Ved sygdomme i leverens galdeveje kan der følgelig opstå problemer med optagelse af fedtstoffer og fedtopløselige vitaminer (A, D, E og K). Ved kompromitteret udskillelse af galdesalte kan disse ophobes i leveren og ved høje koncentrationer ødelægge levervævet, så der med tiden udvikles skrumpelever. Der findes i dag ingen gode metoder til akkurat og specifik måling af udskillelse af galdesyre, hvilket savnes ved behandling af patienter med kompromitteret galdedannelse. Vi har udviklet en PET/CT-metode til måling af disse funktioner med anvendelse af galdesyre sporstof udviklet af os, 11C-cholyl-sarkosin (11C-CSar). Griseforsøg viser, at 11C-CSar optages fra blodet og udskilles i galden på samme måde som naturlige galdesyrer. De første undersøgelser hos mennesker synes at bekræfte dette, og vi er således ved at udvikle en nyttig undersøgelse til bedre at kunne forstå årsag og mekanismen for udvikling af lidelser i leverens små galdegange. Perspektivet er at vi kan tilbyde patienter med kompromitteret galdedannelse bedre diagnostik og mere målrettet behandling.



Link til vores publikationer

.
[Projekter]       [Top]

3. Hepatisk encefalopati

Hepatisk encefalopati (HE) er en tilstand, hvor nedsat leverfunktion medfører symptomer fra centralnervesystemet. Der er ikke identificeret en specifik årsag hertil, men mange patienter med HE har øget blodindhold af ammoniak (kvælstof), som er toksisk for hjernen. Vi arbejder med at belyse mekanismerne for ammoniaks påvirkning af hjenens energistoftskifte og neurotransmission. Vore undersøgelser spænder fra forsøg i dyrkede nerveceller fra mus over vævs- og PET-analyser af rotter med eksperimentel cirrose til PET undersøgelser af patienter med og uden HE. Formålet med disse undersøgelser er at øge forståelsen for de biokemiske forstyrrelser ved HE og årsags-mekanismerne, der kan bidrage til et bedre grundlag for rationel behandling af patienter med HE.


Vi har gennemført en serie PET undersøgelser af hjernen af patienter med skrumpelever (cirrose) med og uden HE samt af individuelle patienter med HE og efter at de var kommet ud af HE-tilstanden. Undersøgelserne viser, at der ikke er tegn til ændret gennemtrængelighed (blod-hjerne barriere permeabilitet) for ammoniak hos patienter med skrumpelever og HE, hvilket ellers har været et dogme i årtier. Hjernens optagelse af ammoniak er positivt korreleret til blod ammoniak. Vi finder også, at nedsat gennemblødning og iltoptagelse hos patienter med HE normaliseres når patienten kommer ud af HE-tilstanden. Den nedsatte gennemblødning og iltoptagelse skyldes således HE-tilstanden og ikke patientens skrumpelever.

Vi forsøger at belyse de nærmere biokemiske mekanismer bag HE og ovennævnte in vivo observationer ved hjælp af forsøg med dyrkede nerveceller (neuroner) og støtteceller (astrocytter) fra mus. Resultaterne viser, at ved høj ammoniak-koncentration omdannes ammoniak ikke kun til glutamin men også til aminosyren alanin. Høje koncentrationer af glutamin kan være toksisk for hjernen og kan ikke udskilles til blodet mens alanin er atoksisk og kan passere blod-hjerne barrieren fra hjernen til blod. Det er derfor interessant, at vi finder, at stoffet MSO, som hæmmer omdannelsen af ammoniak til glutamin, både i dyrkede nerveceller og i rotter med eksperimentel skrumpelever ikke alene nedsætter dannelsen af glutamin, men også øger dannelsen af alanin i hjernen, men ikke i andre væv. Desværre medfører indgift af store doser MSO kramper og vil derfor ikke finde terapeutisk anvendelse hos mennesker, bortset fra måske mennesker som er tæt ved at dø på grund af akut leversvigt og meget høj blodammoniak.

Link til vores publikationer

.
[Projekter]       [Top]

4. Kræft i leveren: spredning af kræft fra tarmene, primær leverkræft, galdevejskræft og neuroendokrine tumorer

PET-skanning efter injektion af sukker-analogen 18F-FDG har fundet udbredt anvendelse til diagnostik, stadie-inddeling og behandlingsmonitorering af en lang række kræft-sygdomme. Værdien af PET bør dog vurderes i forhold til andre tilgængelige muligheder indenfor hvor enkelt kræftform. Vi har således fundet, at PET/CT ændrede behandlingsstrategien for 1/5 af patienter med levermetastaser fra tyktarms-kræft, hvor operation var vurderet indiceret. Vi anvender dette til planlægning og monitorering af behandling med kirurgisk resektion eller anden lokalbehandling i tæt tværfagligt samarbejde i Aarhus Universitetshospitals Levertumorgruppe.

PET-undersøgelse af leveren er nyttig til detektion af kræft i leverens små galdeveje (kolangiocarcinom). Vi har udført et studie med dynamisk PET af leveren hos 24 patienter opført på venteliste til levertransplantation på grund af skrumpelever efter leversygdommen primær skleroserende kolangitis. Ved denne sygdom er der stærkt øget risiko for udvikling af galdegangskræft inde i leveren, men CT og ultralyd havde ikke vist tegn til kræft hos disse patienter. PET viste derimod tegn til kræft hos 3 patienter, et fund som blev bekræftet ved mikroskopi af den udtagne lever. PET var således signifikant bedre end CT til at detektere ganske små kræftknuder i galdevejene inde i leveren hos denne gruppe patienter. Vi følger op på disse undersøgelser med prospektiv undersøgelse af den kliniske nytte i Levertumorgruppens regi.


Kræft som udgår fra levercellerne (hepatocellulært carcinom, HCC) kan være endog meget vanskelig at visualisere med såvel CT, ultralyd som almindelig PET. Dette skyldes stor lighed med det omgivende væv, både i struktur og metabolisme. Ikke desto mindre har vi forsøgt at udnytte mulige forskelle i galaktosestofskiftet mellem ondartede og normale leverceller til at undersøge om 18F-FDGal PET/CT kan detektere denne kræftform så tidligt, at der bliver bedre muligheder for helbredende behandling. Undersøgelse hos 39 patienter med HCC viste så lovende resultater (Fig. 10), at 18F-FDGal PET/CT nu anvendes hos patienter, som indgår i et kræftpakkeforløb for HCC på Aarhus Universitetshospital.



Neuroendokrin tumor (NET) er en sjælden tumor, der som regel er lokaliseret til tarmene, men også kan sidde i lungerne eller bugspytkirtlen. NET spreder sig til først og fremmest til leveren, men også til lymfeknuder og lungerne. PET-centrets levergruppe er en del af EU-akkrediteret NET Centre of Excellence ved Aarhus Universitetshospital, og vi arbejder på at forbedre de diagnostiske muligheder ved at definere, ved hvilke tilstande eller terapeutiske muligheder de forskellige sporstoffer mest hensigtsmæssigt kan anvendes. Fig. 11 illustrerer anvendelsen af sporstoffet 18F-DOPA hos en patient med NET i tyndtarmen (A) med spredning til leveren (B). 18F-DOPA visualiserer NET cellernes specifikke serotonin-stofskifte, mens sporstofferne 68Ga-DOTA-peptider (DOTA-TOC, DOTA-NOC, DOTA-TATE) visualiserer receptorer på NET cellernes overflade (Fig. 12). 18F-FDG har kun sjældent plads ved udredning af NET og kun ved høj-maligne tumorer med højt stofskifte.

Link til vores publikationer


[Projekter]       [Top]





Pieter Paul Rubens, 1612, Philadelphia Museum of Art

Prometheus Forbandelse

De gamle grækere vidste, at leveren har en usædvanlig evne til at gendanne sig selv efter skade. Prometheus var gud for ilden. Da han gav menneskene ilden i gave, blev Zeus rasende og lod Prometheus føre til Kaukasus bjergene, hvor han blev lænket nøgen til en klippe. Hver morgen kom en ørn og hakkede i Prometheus lever, som dog blot voksede ud igen i løbet natten.

[Top]