Forschung

Schnelle Hyperpolarisation für MRT-Untersuchungen

04.05.2021 - Neues Verfahren produziert Stoffwechselprodukt Fumarat für optimierte Magnetresonanztomografie.

Wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der Magnet­resonanz­tomografie (MRT) verspricht eine neue Technik, die ein inter­disziplinäres Forschungsteam nun vorgestellt hat. Dadurch könnte die hyper­polarisierte MRT – eine Methode, die seit etwa zwanzig Jahren entwickelt wird und der Darstellung von Stoffwechsel­vorgängen im Körper dient – wesentlich vereinfacht werden. Der neue Vorschlag basiert auf der Hyper­polarisation des Stoffwechsel­produkts Fumarat mithilfe von Parawasserstoff und der anschließenden Reinigung des Metaboliten.

 

„Diese Technik wäre nicht nur einfacher, sondern auch wesentlich günstiger als das bisherige Vorgehen”, so Studienleiter James Eills, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Dmitry Budker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM). An der Studie beteiligt waren außerdem Wissenschaftler aus der Chemie, der Biotechnologie und der Physik an der TU Darmstadt, der TU Kaiserslautern, der University of California, Berkeley, der Universität Turin und der Universität Southampton.

Die Möglichkeiten der MRT sind durch die geringe Empfindlichkeit der Technik beschränkt und im Wesentlichen darauf begrenzt, Wassermoleküle im Körper zu beobachten. Forscher arbeiten daher ständig an verschiedenen Konzepten, um die MRT zu verbessern. Vor etwa zwei Jahrzehnten konnte ein wesentlicher Durchbruch mit der hyper­polarisierten Magnet­resonanz­tomographie erreicht werden: Hyper­polarisierte Moleküle senden deutlich stärkere MRT-Signale aus, sodass auch Stoffe im Körper sichtbar gemacht werden können, die nur in geringer Konzentration vorliegen. Indem Biomoleküle hyper­polarisiert und einem Patienten verabreicht werden, ist es möglich, den Stoffwechsel in Echtzeit zu verfolgen – dem Arzt stehen damit wesentlich mehr Informationen zur Verfügung.

Als vielversprechender Biosensor für die Bildgebung von Stoffwechsel­vorgängen gilt hyper­polarisiertes Fumarat. Fumarat ist ein Metabolit im Citratzyklus, der eine wichtige Rolle bei der Energiegewinnung von Lebewesen spielt. Fumarat wird zum Zweck der Bildgebung mit Kohlenstoff-13 ausgestattet, da sich die Atomkerne dieses Isotops hyper­polarisieren lassen. Der Stand der Technik für die Hyper­polarisation von Fumarat ist die dynamische Kernpolarisation, aber das Verfahren ist teuer und relativ langsam. Ein bis zwei Millionen Euro kostet die Ausrüstung. „Dynamische Kernpolarisation ist wegen der damit verbundenen hohen Kosten und technischen Komplexität sehr schwer im klinischen Alltag einsetzbar. Wir können dieses wichtige Biomolekül stattdessen auf eine preisgünstige und komfortable Art und Weise mithilfe von Parawasserstoff hyper­polarisieren”, berichtet Stephan Knecht, Erstautor der Publikation von der TU Darmstadt.

Die Forscher um James Eills arbeiten an diesem Prinzip bereits seit Längerem. „Damit hatten wir einen großen Fortschritt erzielt: Das Vorgehen ist nicht nur preiswert, sondern auch einfach zu handhaben und schnell”, so Eills. Die Parahydrogen-induced Polarization, kurz PHIP, hat allerdings auch Nachteile. Problematisch sind insbesondere die geringe Polarisierung und eine Fülle von unerwünschten Begleitsubstanzen bei dieser chemie­basierten Technik. Unter anderem wird für die Übertragung der Polarisation von Parawasserstoff auf Fumarat ein Katalysator benötigt, der wie andere Nebenprodukte in der Reaktions­flüssigkeit verbleibt. „Die chemischen Verunreinigungen müssen aus der Lösung entfernt werden, damit sie biokompatibel ist und Lebewesen injiziert werden kann. Das ist absolut wesentlich, wenn wir an die zukünftige klinische Umsetzung dieses hyper­polarisierten Biosensors denken”, erklärt Eleonora Cavallari, Physikerin von der Universität Turin.

Die Lösung des Problems besteht in der Reinigung des hyper­polarisierten Fumarats mithilfe von Fällung. Fumarat liegt dann als gereinigter Feststoff vor und kann später wieder aufgelöst werden – in der gewünschten Konzentration. „Damit erreichen wir ein von toxischen Stoffen gereinigtes Produkt, das ohne Weiteres auch im Körper eingesetzt werden kann”, so Eills. Im Vergleich zu vorherigen Demonstrationen mit PHIP wird zudem die Polarisation auf bemerkenswerte 30 bis 45 Prozent gesteigert. Präklinische Studien hatten früher bereits gezeigt, dass sich die Bildgebung mit hyper­polarisiertem Fumarat als Methode zur Beobachtung der Tumor­reaktion auf eine Therapie ebenso eignet wie zur Abbildung von akuten Nierenverletzungen oder Herzinfarkt. Diese neue Art der Herstellung von hyper­polarisiertem Fumarat sollte präklinische Studien erheblich beschleunigen und die Technologie für mehr Labore verfügbar machen.

JGU / DE

 

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