Andreas Schmidt, Albert-Ludwigs-Universität – Freiburg

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Kernspin Hyperpolarisierung ohne Polarisator: Herstellung magnetisch markierter MRT-Kontrastmittel für die Bildgebung von Stoffwechsel

Eine schonende und empfindliche Methode um Stoffwechsel in lebenden Organismen zu messen würde einen Durchbruch für die medizinische Diagnostik und Therapieplanung bedeuten, mit großer gesellschaftlicher Relevanz. Prinzipiell erlaubt es die Magnetresonanztomografie (MRT), eine tragende Säule der modernen Diagnostik, ohne schädliche Strahlung menschliche Anatomie sowie Stoffwechsel sichtbar zu machen. Jedoch sind der Technologie starke Grenzen gesetzt: denn nur 3 Millionstel (ppm) aller Protonen-Kerne tragen pro Tesla Magnetfeldstärke zum gemessenen Signal bei. Die Sensitivität reicht zwar aus, um die am häufigsten vorkommenden Stoffe hochaufgelöst darzustellen (zumeist Wasser und Fett). Es ist jedoch zu wenig, um den größten Teil der dem Leben zugrundeliegenden Prozesse und Stoffe darzustellen. Typischerweise werden Minuten gebraucht, um Stoffwechselprodukte mit einer Konzentration von Millimolar (mM) mit einer räumlichen Auflösung von Kubikzentimetern zu messen.

Die Kernspin-Hyperpolarisierung (HP) erlaubt es jedoch, das MR-Signal um mehrere Größenordnungen zu verstärken, wodurch gänzlich neue Möglichkeiten für die MRT-Bildgebung geschaffen werden. Insbesondere kann die Diagnose und Therapie von Krankheiten wie Krebs, durch die nicht-invasive und in vivo Messung des Stoffwechsels mit davor unerreichter Auflösung, verbessert werden. Diese Methode, die eine Mischung aus Quantenphysik und Biologie ist, wurde bereits erfolgreich im Menschen angewandt. Während die HP sehr vielversprechend für die Medizin ist, so ist sie, in ihrer derzeitigen Form (Dynamic Nuclear Polarization, kurz DNP), auch extrem aufwendig, teuer und relativ langsam. Für die Verbreitung, Erforschung und Anwendung der Methode stellen diese Punkte ein großes Hindernis dar.

Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens wurde eine alternative Methode für die HP entwickelt, die im weiteren Verlauf der Arbeit näher untersucht und verbessert werden soll. Diese Methode, SAMBADENA, ist eine vielversprechende Alternative zu DNP, mit entscheidenden Vorteilen: Die HP wird innerhalb von Sekunden direkt im MRT erzielt, die Kosten sind minimal und der apparative Aufwand ist gering. Da die HP direkt im MRT durchgeführt wird, kann zudem auf einen externen „Polarisator“ und auf den Transport des Kontrastmittels, bei dem Signal verloren geht, verzichtet werden.

 

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