In welchem Maße die Bedeutung der Magnetresonanztomografie (MRT) für die molekulare Bildgebung wächst, zeigen aktuelle Erkenntnisse zur Hyperpolarisation in der MRT - einem physikalischen Effekt, mit dem auch in schwachen Magnetfeldern ein stärkeres MRT-Signal erzeugt werden kann.
Unter dem Vorsitz von Prof. Axel Haase und Dr. Franz Schilling, München, werden auf dem Kongress zur Medizinischen Physik vom 19. bis 22. September in Nürnberg verschiedene Techniken und Anwendungen der Hyperpolarisation sowie aktuelle Entwicklungen vorgestellt: „Die inspirierende und innovative Technologie der Hyperpolarisation erlaubt es, Stoffwechselprozesse im lebenden Organismus in Echtzeit zu verfolgen und ermöglicht die Detektion von Molekülen mit bisher unerreichter Sensitivität. Hyperpolarisationstechniken können dazu verwendet werden, das Signal der in der Magnetresonanztomografie gemessenen Kernspins um bis zu 5 Größenordnungen zu verstärken. Dabei kommen verschiedene Methoden, wie zum Beispiel optisches Pumpen, Polarisationstransfer mittels Parawasserstoff oder dynamische Kernpolarisation, zum Einsatz.“
Neue Erkenntnisse zur „Hyperpolarisation mittels Parawasserstoff (PHIP & SABRE)“ werden von Dr. Markus Plaumann, Magdeburg vorgestellt. Sowohl die Spektroskopie als auch die Bildgebung profitieren von der Signalerhöhung der Kernspinhyperpolarisation mit Parawasserstoff (Kernspinisomer des molekularen Wasserstoffs) mit Signalverstärkungen. Neben der Hyperpolarisation von Wasserstoffkernen ermöglicht die Parawasserstoff-induzierte Hyperpolarisation (PHIP) Signalverstärkungen von Heterokernen.
Derzeit besitzen zwei Verfahren das höchste Potenzial für In-vivo-Anwendungen: Standard-PHIP (ALTADENA und PASADENA), bei der Parawasserstoff in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators auf das Zielsubstrat übertragen wird, und SABRE-Technik (Signal amplification by reversible exchange), die eine Hyperpolarisation ohne Hydrierung des Zielsubstrats erlaubt und daher den Vorteil einer wiederholbaren Generierung von Signalverstärkungen besitzt. Neben der Art des Katalysators und der Wahl des Lösungsmittels ist für beide Verfahren die verwendete Pulssequenz sowie die Stärke des vorliegenden Magnetfelds von großer Bedeutung.
„Hyperpolarisierte Edelgase und funktionalisierte Biosensoren“
„PHIP bietet in Bezug auf die biomedizinische Anwendung ein hohes Potenzial. In relativ kurzer Zeit können entsprechende hyperpolarisierte Verbindungen zu vergleichsweise niedrigen Preisen generiert werden. Verschiedene HP-Kontrastmittel wurden bereits in In-vivo-Studien eingesetzt“, so Dr. Markus Plaumann. Das Potenzial der Hyperpolarisation von Kernen mit langen Relaxationszeiten wird in den Ergebnissen zahlreicher Arbeiten gezeigt, zum Beispiel wurde 13C-hyperpolarisiertes Succinat erfolgreich in Tiermodellstudien detektiert.“
Um „Hyperpolarisierte Edelgase und funktionalisierte Biosensoren“ geht es im Vortrag von Dr. Leif Schröder, Berlin. Reversibel gebundenes Xenon für molekulare Diagnostik lässt sich in Kombination mit Wirtsmolekülen durch die HyperCEST-Methode (Chemical Exchange Saturation Transfer mit hyperpolarisierten Kernen) mit vormals nicht zugänglicher Sensitivität in der NMR und MRT detektieren. In der letzten Zeit hat sich der Einsatzbereich von funktionalisiertem Xenon über das klassische CEST-Prinzip hinaus erweitert. Nano- bis pikomolare Konzentrationen lassen sich in neueren Messungen mittels HyperCEST für MR-Bildgebung und -Spektroskopie nachweisen.
„Der Vortrag gibt einen Überblick über die Anwendungen mit hyperpolarisiertem Xenon für die Darstellung verschiedener molekularer Marker und die Entwicklung hochsensitiver Ansätze für diagnostische Zwecke“, so Dr. Leif Schröder. „Hyper-CEST mit funktionalisiertem Xenon ermöglicht molekulare MRT-Diagnostik durch verschiedene Ansätze wie Bindung an Membranproteine, metabolische Markierung von Glykanstrukturen, Markierung von liposomalen Nanopartikeln und die Untersuchung enzymatischer Aktivität.“
Die dynamische Kernpolarisation von Lösungen
Dr. Franz Schilling, München, präsentiert „Dynamische Kernpolarisation und metabolische Bildgebung in vivo“. Mit der Methode der dynamischen Kernpolarisation von Lösungen (engl. dissolution dynamic nuclear polarisation, DNP) können Lösungen von Molekülen hergestellt werden, die eine nahezu vollständige Kernspinpolarisation erreichen. Das um vier bis fünf Größenordnungen verstärkte Magnetresonanzsignal hat viele neue Anwendungen ermöglicht, die von der chemischen Analyse kleiner Moleküle bis hin zur metabolischen Bildgebung in vivo reichen. In dem Vortrag wird die dynamische Kernpolarisation in Lösung behandelt, und es werden aktuelle Beispiele für metabolische Bildgebung in präklinischen Modellen in vivo aufgezeigt.
„Die dynamische Kernpolarisation von Lösungen ermöglicht die MRT-Bildgebung von biochemisch und medizinisch relevanten quantitativen Messgrößen“, so Dr. Franz Schilling. "In Experimenten in vivo in Ratten wurde gezeigt, dass hyperpolarisierte 13C-markierte Zymonsäure zur Messung des pH-Gradienten in den Nieren sowie zur Detektion des extrazellulären Tumor-pH in einem Brustkrebs-Tumormodell eingesetzt werden kann. Mittels zeitaufgelöster spektroskopischer Bildgebung konnten wir die enzymatische Konversion durch Laktat-Dehydrogenase(LDH) von Pyruvat zu Laktat in Echtzeit messen und die gemessene LDH-Aktivität mit der mittels PET gemessenen Aufnahme von 18F-Fluordesoxyglucose (FDG) vergleichen. Dabei fanden wir eine positive Korrelation der LDH-Aktivität mit der 18F-FDG-Aufnahme.“
„Diamantbasierte Dynamische Kernpolarisation“
Prof. Dr. Fedor Jelezko, Ulm, zeigt in seiner Untersuchung „Diamantbasierte Dynamische Kernpolarisation“, dass die Empfindlichkeit der Magnetresonanz stark von der Kernspinpolarisation abhängt. Dynamische Kernspinpolarisation wurde vor kurzem angewendet, um die MRT und NMR zu verbessern, jedoch erfordern die derzeitigen Systeme zur Erreichung der Kernpolarisation extrem niedrige, kryogene Temperaturen. Kernspins, die mit dem 13C-Kohlenstoffisotop in Diamant assoziiert sind, besitzen einzigartig lange Spin-Gitter-Relaxationszeiten. „Wenn sie in Diamantnanokristallen vorhanden sind, insbesondere wenn sie stark polarisiert sind, bilden sie ein vielversprechendes Kontrastmittel für die MRT“, so Prof. Dr. Fedor Jelezko.
„Wir zeigen ein effizientes Schema, das eine optisch induzierte 13C-Kernspin-Hyperpolarisation in Diamant bei Raumtemperatur und niedrigem Magnetfeld realisiert. Das optische Pumpen eines Stickstoff-Vakanz-Zentrums (NV) erzeugt eine kontinuierlich erneuerbare Elektronenspin-Polarisation, die auf umliegende 13C-Kernspins übertragen werden kann. Wir werden auch aktuelle Experimente zur Polarisationsübertragung von optisch polarisierten Elektronenspins von NV-Zentren auf externe Kernspins diskutieren.“
Quelle: DGMP/ISMRM, 05.09.2018
Kongress zur Medizinischen PhysikNeben der Optimierung der bildgebenden Verfahren in Radiologie und Nuklearmedizin liegen weitere wichtige Tagungsschwerpunkte der interdisziplinären Tagung der beiden Fachgesellschaften DGMP (49. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik) und ISMRM (21. Jahrestagung der Deutschen Sektion der International Society for Magnetic Resonance in Medicine), zum Beispiel in den Themen Künstliche Intelligenz und Big Data in Strahlentherapie und Diagnostik. Spannende Diskussionen werden auch zum hochaktuellen Thema eines neuen Strahlenschutzrechts erwartet, zu dem es eine eigene Plenarsitzung mit Diskussionen zu neudefinierten Aufgaben und Verantwortungen für Medizinphysiker/innen gibt. Ein weiteres Highlight ist die Einladung zu einem öffentlichen Vortrag zum Thema Radiologie im Nationalsozialismus am 21. September mit einer begleitenden Sonderposterausstellung.
