Eine neue Perspektive – Signalverstärkung in der medizinischen MRT-Bildgebung

Wissenschaftlern des DWI – Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien und des Instituts für Technische und Makromolekulare Chemie an der RWTH Aachen University ist es gelungen, das Kernspin-Signal eines DNA Biomoleküls, welches spezifisch an Krebszellen bindet, um einige Größenordnungen zu verstärken.

Die verwendete Methodik der Signalverstärkung nennt sich para-Wasserstoff induzierte Hyperpolarisierung (PHIP). Die Ergebnisse sollen den Weg für hochsensitive molekulare Magnetresonanz-Bildgebung mit zielgerichteten Kontrastmitteln ebnen und haben das Potenzial, die Anwendungsbereiche in der medizinischen Diagnostik erheblich zu erweitern.

Kombination von DNA und PHIP

Ein Forschungsteam des DWI – Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien und des Instituts für Technische und Makromolekulare Chemie an der RWTH Aachen University hat mittels seines Ansatzes gezeigt, dass noch viel Potenzial in der Anwendung von PHIP steckt: Ihnen ist es nun gelungen, ein zielgerichtetes DNA-Molekül aus dem Labor, welches spezifisch Krebszellen ansteuert, mit einem hyperpolarisierbarem Marker auszustatten und dessen Magnetresonanz-Signal um mehrere Größenordnungen zu verstärken. Hierbei diente para-Wasserstoff als Hyperpolarisierungs-Quelle, die an den Marker gebunden ist. Noch nie zuvor wurde demnach DNA hyperpolarisiert, weshalb diese Arbeit, geleitet von Prof. Dr. Andreas Herrmann, Prof. Dr. Jürgen Klankermayer und Dr. Meike Emondts, den Grundstein für weitere Forschung in dem Bereich bilden soll.

Diese modifizierten DNA-Moleküle zeigen gute Voraussetzungen für die Anwendung als Kontrastmittel in der molekularen Bildgebung: Einerseits lassen sich die DNA-Moleküle so wählen, dass sie bestimmte Zellen oder Pathogene gezielt ansteuern und andererseits löst die signifikante Signalverstärkung das Problem der üblicherweise geringen Signalintensität von molekularer Magnetresonanztomografie (MRT). Damit diese neue Methode zukünftig für klinische Anwendungen in Frage kommt, muss die Lebensdauer der Hyperpolarisierung noch verlängert und eine effiziente Aufreinigungsmethode der DNA nach der Reaktion mit para-Wasserstoff entwickelt werden. Dies sind Bestreben von laufender und zukünftiger Forschung.

Das langfristige Ziel des Teams besteht darin, die hier vorgestellte Technologie in der medizinischen Diagnostik durch weitere Forschungsarbeiten anwendbar zu machen, um hochsensitive molekulare MRT zu ermöglichen. Die Fähigkeit MRT-Signale signifikant zu verstärken, eröffnet das Potenzial, Anomalien auf Zellebene noch früher erkennen zu können und somit die Behandelbarkeit zu verbessern. Da bei der neuen Methode die Signalintensität unabhängig von der magnetischen Feldstärke ist, wäre in Zukunft die Verwendung von portablen, kostengünstigen MRT-Scannern zur molekularen Bildgebung denkbar. Dadurch würde sich die Anwendbarkeit deutlich verbessern und neue Möglichkeiten, wie beispielsweise molekulare MRT während einer Operation, würden erschlossen werden.

MRT und Hyperpolarisierung

Mittels der Hyperpolarisierung können MRT-Signale unabhängig vom angelegten Magnetfeld signifikant verstärkt werden. Die Ausrichtung der Kernspins erfolgt dann nicht durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, sondern durch Wechselwirkungen mit einer molekularen Hyperpolarisierungsquelle, wie zum Beispiel para-Wasserstoff. So lassen sich bereits niederschwellige Signale darstellen, die ohne Hyperpolarisierung nur schwer oder gar nicht detektierbar sind.

Molekulare Bildgebung

Die MRT stellt aufgrund der hohen räumlichen Auflösung und des nichtinvasiven Charakters ein hervorragendes Bildgebungsverfahren dar. Molekulare MRT birgt somit ein enormes Potenzial für die Früherkennung, Diagnostik und Behandlungsüberwachung von beispielsweise Tumoren, steckt jedoch aus klinischer Sicht noch in den Kinderschuhen. Häufig ist unter anderem die Sensitivität für die Abbildung molekularer Prozesse ein limitierender Faktor. Mit Hilfe der Hyperpolarisierung können Signale in der molekularen MRT verstärkt werden, dies wurde jedoch bisher nur für kleine Metaboliten gezeigt. Mit der in dieser Arbeit eingeführten Technik ist allerdings auch die Hyperpolarisierung größerer Moleküle möglich.