Fortschritt für die Bildgebung von Stoffwechselvorgängen

Ein Kieler Forschungsteam entwickelt neue Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie, um damit biochemische Prozesse sichtbar machen zu können.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat enormes Potenzial für Diagnostik und Forschung. Nicht nur grobe Strukturen lassen sich damit bildlich darstellen, sondern prinzipiell auch biochemische Prozesse. Doch hierfür reicht die Empfindlichkeit herkömmlicher Geräte nicht aus. In der Klinik eingesetzte MRTs eignen sich hervorragend, um zum Beispiel anatomische Strukturen im Gehirn darzustellen, einen Bandscheibenvorfall abzuklären oder Tumore zu vermessen. Bei der Darstellung von medizinisch interessanten Stoffwechselprozessen stoßen sie aber an ihre Grenzen. „Die Konzentration vieler Stoffwechselprodukte, die wirklich interessant sind, ist viel zu gering, um sie zu messen“, erklärt Professor Jan-Bernd Hövener, der sich für die chemische Analyse mittels MRT interessiert und diese Technik im Exzellenzcluster „Precision Medicine in Chronic Inflammation“ (PMI) etabliert. Seine Arbeitsgruppe entwickelt neue Methoden, um die Empfindlichkeit des MRT zu erhöhen und biochemische Analysen zu ermöglichen. Diesem Ziel sind sie mit einer aktuellen Arbeit einen großen Schritt nähergekommen. Die Ergebnisse wurde kürzlich im hochrangigen Journal of the American Chemical Society publiziert.

Hyperpolarisierung erhöht die Empfindlichkeit im MRT

„Für die Messung des Stoffwechsels, den grundlegenden Prozessen des Lebens, ist das Signal der normalen MRTs leider häufig zu schwach“, erklärt der Professor für Translationale Magnetresonanztomografie an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und Leiter der Sektion Biomedizinische Bildgebung der Klinik für Radiologie und Neuroradiologie am Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel, und des Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC). Zur Verstärkung der Signale wendet der Medizinphysiker sogenannte Hyperpolarisierungsmethoden an. Das sind physikalische Methoden, die dazu führen, dass sich die Spins – eine Art Kompassnadel – von Atomkernen vermehrt in eine Richtung ausrichten, so dass sie im MRT besser sichtbar sind: Magnetresonanz kann nämlich nur gemessen werden, wenn sich die Spins ausrichten, und nicht gegenseitig aufheben. „Ein vielversprechender Ansatz für die Bildgebung von Stoffwechselprozessen ist die Verwendung von hyperpolarisierten Kontrastmitteln. Hierbei werden körpereigene Substanzen wie Glukose (Traubenzucker) vor ihrer Anwendung quantenmechanisch bearbeitet, so dass sie im MRT ‚leuchten‘“,sagt Hövener. Krebszellen, die vermehrt Glukose umsetzen, könne man so frühzeitig aufspüren. Die Technik wird bisher nur experimentell eingesetzt, ist langsam und sehr teuer. Das benötige Gerät, der sogenannte Dynamic Nuclear Polarizer (DNP), kostet mehr als zwei Millionen Euro.

Neues Verfahren kombiniert die Vorteile verschiedener Technologien

„Wir haben eine neue Methode entwickelt, die deutlich weniger kostet und innerhalb weniger Sekunden funktioniert“, berichtet Erstautor Dr. Kolja Them, Postdoktorand in Höveners Arbeitsgruppe. „Wir konnten zwei bislang getrennte Methoden miteinander kombinieren und erreichen damit eine bis zu 50.0000-fache Signalverstärkung.“ Die sogenannte para-Wasserstoff-induzierte Polarisation (PHIP-X) ermöglicht eine breite Anwendung, da sie die MR-Signale von vielen Biomolekülen verstärke. „Wir erhoffen uns, damit neuartige Kontrastmittel für die Präzisionsmedizin, schneller und billiger herstellen zu können als bisher“, sagt Kolja Them. Bis zu einer möglichen Anwendung sei jedoch noch einiges zu tun. Die Grundlagen müssten weiter erforscht, die Materialien verträglich gemacht und die Signalverstärkung länger am Leben gehalten werden. Der Exzellenzcluster PMI hat mit einer Förderung von Kolja Them die Entwicklung von PHIP-X vorangebracht. Hövener: „Diese Förderung ist ein ausgezeichnetes Werkzeug, um vielversprechende Projekte unserer jungen Kolleginnen und Kollegen zu unterstützen. Diese Förderung gibt uns die Möglichkeit, neue Technologien in die Anwendung zu bringen.“

Standort für einzigartige Bildgebungs- und Hyperpolarisierungsforschung

Seit seinem Ruf an die Uni Kiel 2017 hat Hövener verschiedene Geräte eingeworben, um eine einzigartige Umgebung für die Bildgebungs- und Hyperpolarisierungsforschung aufzubauen. Neben Geräten für die Herstellung von Stoffwechsel-Kontrastmitteln und für die Bildgebung der Lunge gehören hierzu auch verschiedene experimentelle Aufbauten, um die Quantenmechanik der Hyperpolarisation zu untersuchen, sowie die dazugehörigen MRT-Geräte. Highlights sind die besonders starken 7 Tesla und 9,4 Tesla MRT-Geräte. Zum Vergleich: In der Klinik eingesetzte Geräte haben üblicherweise Magnete mit einer Stärke von 1,5 bis 3 Tesla.

Essentiell für Höveners Forschung ist das MOIN CC: „Das Land Schleswig-Holstein, die Medizinische Fakultät und die Uni Kiel haben mit dem MOIN CC eine ausgezeichnete Infrastruktur geschaffen, die es uns erlaubt, Talente aus der ganzen Welt anzuwerben. Innovationen kommen häufig aus den Grundlagenwissenschaften, und das hat Kiel erkannt!“.

Mann vor MRT
© MOIN CC, Uni Kiel

Dieses leistungsstarke MRT-Gerät nutzt Dr. Kolja Them, um die Anwendung der neuen Kontrastmittel zu erforschen.

Mann mit Kittel und Schutzbrille
© pur.pur

Professor Jan-Bernd Hövener

Originalpublikation:

Kolja Them, Frowin Ellermann, Andrey N. Pravdivtsev, Oleg G. Salnikov, Ivan V. Skovpin, Igor V. Koptyug, Rainer Herges, and Jan-Bernd Hövener. Parahydrogen-Induced Polarization Relayed via Proton Exchange. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 34, 13694–13700. https://doi.org/10.1021/jacs.1c05254

Wissenschaftlicher Kontakt:

Dr. Kolja Them
Sektion Biomedizinische Bildgebung
Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC), CAU, UKSH
Klinik für Radiologie und Neuroradiologie, UKSH Kiel,
0431 880-5854
Kolja.Them@rad.uni-kiel.de

Prof. Dr. Jan-Bernd Hövener
Sektion Biomedizinische Bildgebung
Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC), CAU, UKSH
Klinik für Radiologie und Neuroradiologie, UKSH Kiel,
0431 880-5833
jan.hoevener@rad.uni-kiel.de
Twitter/Instagram: @theMOINCC

Über den Exzellencluster PMI

Der Exzellenzcluster „Präzisionsmedizin für chronische Entzündungserkrankungen/Precision Medicine in Chronic Inflammation“ (PMI) wird von 2019 bis 2025 durch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert (ExStra). Er folgt auf den Cluster Entzündungsforschung „Inflammation at Interfaces“, der bereits in zwei Förderperioden der Exzellenzinitiative (2007-2018) erfolgreich war. An dem neuen Verbund sind rund 300 Mitglieder in acht Trägereinrichtungen an vier Standorten beteiligt: Kiel (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Muthesius Kunsthochschule, Institut für Weltwirtschaft und Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik), Lübeck (Universität zu Lübeck, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein), Plön (Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie) und Borstel (Forschungszentrum Borstel - Leibniz Lungenzentrum).

Ziel ist es, die vielfältigen Forschungsansätze zu chronisch entzündlichen Erkrankungen von Barriereorganen in ihrer Interdisziplinarität verstärkt in die Krankenversorgung zu übertragen und die Erfüllung bisher unbefriedigter Bedürfnisse von Erkrankten voranzutreiben. Drei Punkte sind im Zusammenhang mit einer erfolgreichen Behandlung wichtig und stehen daher im Zentrum der Forschung von PMI: die Früherkennung von chronisch entzündlichen Krankheiten, die Vorhersage von Krankheitsverlauf und Komplikationen und die Vorhersage des individuellen Therapieansprechens.

Pressekontakt:

Frederike Buhse
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Exzellenzcluster PMI

Exzellenzcluster „Präzisionsmedizin für chronische Entzündungserkrankungen“
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0431/880-4850, Telefax: 0431/880-4894
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