Tumorbildgebung in vivo mit para-Wasserstoff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projektes war es, Peptide zu hyperpolarisieren, um dann deren spezifische Bindung an Biomarker auf Tumorzellen oder aktiviertem Tumorendothel sowohl in vitro als auch in vivo zu detektieren. Überraschenderweise stellte sich bereits am Anfang des Projektes heraus, dass die Biokompatibilität der chemischen Systeme eine große Herausforderung darstellt und dass der ursprüngliche Plan deutlich modifiziert werden muss. So wurden zunächst Vorbereitungen bezüglich der bildgebenden Methoden mittels thermischer Messungen getroffen, während an der Biokompatibilität des chemischen Systems gearbeitet wurde. Im Rahmen dieses Projekts konnten signifikante Fortschritte bezüglich der Biokompatibilität und somit der medizinischen Anwendbarkeit von Hyperpolarisationsmethoden basierend auf p-H2 erzielt werden. Es konnte eine einfache Methode zur Charakterisierung des chemischen Systems entwickelt werden, die unabdinglich ist, um ein geeignetes System zu wählen. Mit Hilfe dieser Methode wurde herausgefunden, dass Parameter wie die chemische Struktur, das Magnetfeld und die Konzentration maßgeblich die Effizienz bestimmen. Des Weiteren konnte erstmals PHIP mit einem artifiziellen Metalloenzym gezeigt werden. Die Effizienz ist hierbei im Vergleich zu bestehenden Systemen außergewöhnlich hoch. Das Metalloenzym stellt eine innovative Immobilisierungsmethode für PHIP-Katalysatoren dar und ist aufgrund der Aktivität in Wasser, der leichten Abtrennbarkeit und der hohen Polarisations-Effizienz optimal geeignet für biomedizinische Anwendungen. Hinsichtlich der SABRE-Methode konnte erstmals ein System etabliert werden, welches ohne Verwendung von toxischen Lösungsmitteln auskommt und somit die Tür für biomedizinische Anwendungen öffnet. Hierbei konnte die Polarisation sowohl auf Protonen als auch auf 15N-Kerne übertragen werden. Schließlich konnte erstmalig Wasser mittels p-H2 polarisiert werden. Dabei handelt es sich um eine vielversprechende Methode, das letztendliche Ziel zu erreichen und größere Biomoleküle wie beispielsweise Peptide zu polarisieren. Bedauerlicherweise konnten die weiteren Schritte, welche in vitro und in vivo Versuche mit hyperpolarisierten Substanzen beinhalten, nicht wie geplant durchgeführt werden. Alternativ wurde daher an Versuchssetups für in vitro Bildgebung unter dynamischen sowie statischen Bedingungen gearbeitet. Hierfür wurde auf ein alternatives Konzept zur molekularen MRT-Kontrasterhöhung zurückgegriffen und dieses optimiert. Durch Kombination des aus der US-Bildgebung bekannten Prinzips der Kontrastverstärkung durch gasgefüllten Mikrobläschen und des starken Effekts von Eisennanopartikeln auf die T2-Relaxationszeiten wurden Mikrobläschen mit Eisennanopartikeln in der Polymerhülle mit der Peptidsequenz RGD funktionalisiert. Die Bindung an Integrine des Typs αvβ3, eines Biomarkers für aktivierte Endothelzellen wie beispielsweise in Tumoren zu finden, konnte in vitro durch bildgebende und relaxometrische MRT-Messungen, aber auch US und Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, in vivo wurde für den proof of principle erste US-Versuche durchgeführt, da das Versuchssetup dafür simpler ist und die Protokolle für Bildgebung mit Mikrobläschen etablierter sind. Zusammengefasst konnten die Hyperpolarisationsmethoden basierend auf p-H2 maßgeblich hinsichtlich ihrer Biokompatibilität optimiert werden und somit große Schritte in Richtung biomedizinscher Anwendbarkeit geleistet werden. Weiterhin wurden Versuchssetups und MRT-Sequenzen entwickelt bzw. angepasst, welche auf Messungen mit hyperpolarisierten Substanzen übertragbar sind, sowie ein alternatives Konzept zur molekularen MRT-Kontrasterhöhung erprobt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Evolution of contrast agents for ultrasound imaging and ultrasound-mediated drug delivery“, Front Pharmacol, 197 (2015)
Paefgen, Vera; Doleschel, Dennis; Kiessling, Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fphar.2015.00197) - “New Ir-NHC Catalyst for Signal Amplification by Reversible Exchange in D2O”, Chemistry - A European Journal, 22, 9277-9282 (2016)
Spannring, Peter; Reile, Indrek; Emondts, Meike; Schleker, Philipp P. M.; Hermkens, Niels K. J.; van der Zwaluw, Nick G. J.; van Weerdenburg, Bram J. A.; Tinnemans, Paul; Tessari, Marco; Blümich, Bernhard; Rutjes, Floris P. J. T.; Feiters, Martin C.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201601211) - “Direct Hyperpolarization of Nitrogen-15 in Aqueous Media with Parahydrogen in Reversible Exchange”, Journal of the American Chemical Society, 139, 7761- 7767 (2017)
Colell, Johannes; Emondts, Meike; Logan, Angus; Shen, Kun; Bae, Junu; Shchepin, Roman; Ortiz, Gerardo; Spannring, Peter; Wang, Qiu; Malcolmson, Steven; Chekmenev, Eduard; Feiters, Martin; Rutjes, Floris; Bluemich, Bernhard; Theis, Thomas; Warren, Warren
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.7b00569) - “Polarization Transfer Efficiency in PHIP Experiments”, Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 21933-21937 (2017)
Emondts, Meike; Colell, Johannes; Blümich, Bernhard; Schleker, Philipp P. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c7cp04296e) - „Hyperpolarizing Water with Parahydrogen“, ChemPhysChem, 8, 2426- 2429, (2017)
Lehmkuhl, Sören; Emondts, Meike; Schubert, Lukas; Spannring, Peter; Klankermayer, Jürgen; Blümich, Bernhard; Schleker, Philipp P. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cphc.201700750) - „Optimierungen von Hyperpolarisationsmethoden basierend auf para-Wasserstoff hinsichtlich ihrer Biokompatibilität für in-vivo-Anwendungen in der Kernspinresonanz“, RWTH Aachen, 2017
Meike Emondts
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.18154/RWTH-2017-09577) - „Status and trends in the development of clinical diagnostic agents“, WIREs Nanomed Nanobiotechnol, 9 (2017)
Opacic, Tatjana; Paefgen, Vera; Lammers, Twan; Kiessling, Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/wnan.1441)
