Visual Universitätsmedizin Mainz

Herstellung neuartiger hyperpolarisierter Kontrastmittel  

In Zusammenarbeit mit: Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz   


Dieses Forschungsvorhaben reiht sich in die Tradition der Bildgebung von hyperpolarisiertem 3He in Mainz ein. Während mit hyperpolarisiertem 3He die Lunge zum „Aufleuchten“ gebracht wird, sollen in diesem Projekt flüssige hyperpolarisierte Kontrastmittel entwickelt werden, die Licht in die Gefäßdarstellung bringen oder den Metabolismus der injizierten Komponente erhellen sollen.

Zu diesem Zweck soll eine neue Klasse „aktiver“ Kontrastmittel für den in-vivo-Einsatz entwickelt und angewendet werden, um einem der grundlegenden Probleme der MRT, ihrer geringen Sensitivität, zu begegnen. Dabei handelt es sich um „magnetisch markierte“ Verbindungen, deren MRT-Signal um das 10 bis 100000-fache gegenüber thermisch (d.h. konventionell) polarisierten Kernen erhöht ist. Mit dem Einsatz dieser Kontrastmittel sollen sich der Medizin verbesserte und neue diagnostische Möglichkeiten erschließen, wie molekulare und/oder zelluläre Bildgebung, schnelle Bildgebung des Metabolismus sowie Angiographie- und Perfusionsmessungen ohne störendes Hintergrundsignal.

Dynamic Nuclear Polarisation (DNP)

Die Signalverstärkung wird durch den sog. DNP (Dynamic Nuclear Polarisation) -Effekt erreicht, der auf dem Polarisationstransfer von bei tiefen Temperaturen (1-4 K) in einem angelegtem Magnetfeld nahezu vollständig polarisierten Elektronen auf ausgewählte Kernspins beruht. Zur Durchführung dieses Verfahrens wurde in Mainz ein DNP-Polarisator entwickelt, der aufgrund des kompakten und mobilen Designs einen Einsatz an jedem klinischen Kernspintomographen ermöglicht. Im ersten Projektstadium wurde mit diesem neu entwickelten Gerät eine 1H-Signalverstärkung um den Faktor 105 erreicht. Es wird weiter intensiv an diesem Projekt gearbeitet, um möglichst bald Signalverstärkungen zu generieren, die eine klinische Bildgebung ermöglichen.

Bild des mobilen Polarisators.

Parahydrogen Induced Polarisation (PHIP)

Darüber hinaus wurden sehr viel versprechende Machbarkeitsstudien basierend auf dem PHIP- (Parahydrogen Induced Polarisation) Effekt in 1-Hexin durchgeführt (siehe folgende Abbildungen). Die Experimente und Entwicklungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymer Forschung, Gruppe Spiess, durchgeführt.

1H-FLASH Aufnahmen eines mit 1-Hexin gefüllten Phantoms
1H-FLASH Aufnahmen eines mit 1-Hexin gefüllten Phantoms, aufgenommen ohne (links: 3,2 min Messzeit) und mit PHIP (rechts; 1,6 sek. Messzeit). PHIP bewirkt eine drastische Verbesserung der Signalintensität, was eine Reduzierung der Messzeit pro Bild um mehr als den Faktor 120 bewirkt.

Nach weiteren methodischen Verbesserungen können sowohl die DNP- als auch PHIP- basierte Polarisation in Zukunft zu einer signifikanten Verbesserung der physikalischen Sensitivität der MRT führen. Dies ermöglicht die direkte MRT molekularer Prozesse, die Beurteilung des metabolischen Grundumsatzes und kinetische Grundumsatzkonstanten auf molekularer Ebene, d.h. die direkte molekulare MR-Bildgebung.

Dieses Bestreben wird von einem nationalen Schwerpunktprogramm Hyperpolarisation unterstützt, welches zurzeit in der Planungsphase für die Vorlage bei der Deutschen Forschungsgesellschaft  (DFG) ist. Prof. Schreiber ist einer der Initiatoren dieser Initiative.

Literatur

K. Münnemann, C. Bauer, J. Schmiedeskamp, W.G. Schreiber, H.W. Spiess, D. Hinderberger. Development of a mobile DNP polarizer for clinical use. Dynamic Nuclear Polarisation Symposium, Nottingham (UK), 29.-31.08.2007

 

Helium-3 MRT-Bild der Lunge in zwei Schichten
Helium-3 MRT-Bild der Lunge in zwei Schichten

 

Mehr zur Lungenbildgebung mittels hyperpolarisiertem Helium finden Sie hier.