Metabolic and Molecular MRI using Hyperpolarized Tracers

• Applicant: Professor Dr. Jan-Bernd Hövener
• Subject Area: Medical Physics, Biomedical Technology
• Term: from 2014 to 2025
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 246504068

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Das Emmy Noether Projekt verfolgte das Ziel, verschiedene Aspekte der paraWasserstoffbasierten Hyperpolarisierung von Kernspins von kleinen Molekülen in wässriger Lösung zu erforschen. Es ging insbesondere um Polarisationsmethoden, Tracer, Bildgebungsmethoden und deren Anwendung. Ziel der hyperpolarisierten MRT ist, hinter die Anatomie zu schauen und ansonsten unsichtbare Vorgänge wie z.B. Stoffwechsel sichtbar zu machen. Dies hat vielversprechende Anwendungen z.B. in der Früherkennung von Krankheiten, der Therapiekontrolle und dem Erkenntnisgewinn. In dem Projekt wurden mehrere wissenschaftliche Fortschritte erzielt und veröffentlicht. Hervorzuheben sind die Arbeiten zu SAMBADENA (die Polarisierung „ohne Polarisator“), die kontinuierliche Hyperpolarisierung, die Spinphysik, die Anwendung von Bildgebungssequenzen in Patientenstudien und im Nachklang die Polarisierung von Pyruvat. Ferner ergaben sich Arbeiten zu Dental-MRT und Spulen. Die Ergebnisse dieses Antrags waren der Grundstein für mehrere fortführende Projekte. Es wurden mehrere Bachelor, Master und Doktorarbeiten durchgeführt. Schnell erwies sich SAMBADENA als sehr erfolgreiche Methode bis hin zur in vivo Anwendung; Succinate und später auch Acetat wurden hoch polarisiert. Sehr vielversprechend und zur Antragsstellung noch unbekannt war die SLIC-SABRE Polarisierung von Pyruvat. Trutschel C. Wir sind Methodenentwickler. Kieler Nachrichten. 2019 Feb 5. Trutschel C. Unsichtbares soll sichtbar werden. Kieler Nachrichten. 2019 Apr 1;14. Trutschel C. Medizin von morgen. Kieler Nachrichten. 2019 Oct 4. Lindinger. Scharfe Bilder im Erdmagnetfeld. Frankfurter Allgemeine Zeitung. 2014 Jan 8; Natur und Wissenschaft, S. 1.

Publications

• Continuous Re‐hyperpolarization of Nuclear Spins Using Parahydrogen: Theory and Experiment. ChemPhysChem, 15(12), 2451-2457.
  Hövener, Jan‐Bernd; Knecht, Stephan; Schwaderlapp, Niels; Hennig, Jürgen & von Elverfeldt, Dominik
  
• Toward Biocompatible Nuclear Hyperpolarization Using Signal Amplification by Reversible Exchange: Quantitative in Situ Spectroscopy and High-Field Imaging. Analytical Chemistry, 86(3), 1767-1774.
  Hövener, Jan-Bernd; Schwaderlapp, Niels; Borowiak, Robert; Lickert, Thomas; Duckett, Simon B.; Mewis, Ryan E.; Adams, Ralph W.; Burns, Michael J.; Highton, Louise A. R.; Green, Gary G. R.; Olaru, Alexandra; Hennig, Jürgen & von Elverfeldt, Dominik
  
• Dental MRI using wireless intraoral coils. Scientific Reports, 6(1).
  Ludwig, Ute; Eisenbeiss, Anne-Katrin; Scheifele, Christian; Nelson, Katja; Bock, Michael; Hennig, Jürgen: von Elverfeldt, Dominik; Herdt, Olga; Flügge, Tabea & Hövener, Jan-Bernd
  
• Do twisted laser beams evoke nuclear hyperpolarization?. Journal of Magnetic Resonance, 268, 58-67.
  Schmidt, A.B.; Andrews, D.L.; Rohrbach, A.; Gohn-Kreuz, C.; Shatokhin, V.N.; Kiselev, V.G.; Hennig, J.; von Elverfeldt, D. & Hövener, J.-B.
  
• HF-Spule für MR-Messungen in einem oralen Bereich und HF-Spulensystem. DE102014220116, 2016
  Hövener J. B. & Ludwig U.
  
• Molecular MRI in the Earth’s Magnetic Field Using Continuous Hyperpolarization of a Biomolecule in Water. The Journal of Physical Chemistry B, 120(25), 5670-5677.
  Rovedo, Philipp; Knecht, Stephan; Bäumlisberger, Tim; Cremer, Anna Lena; Duckett, Simon B.; Mewis, Ryan E.; Green, Gary G. R.; Burns, Michael; Rayner, Peter J.; Leibfritz, Dieter; Korvink, Jan G.; Hennig, Jürgen; Pütz, Gerhard; von Elverfeldt, Dominik & Hövener, Jan-Bernd
  
• Quantitative description of the SABRE process: rigorous consideration of spin dynamics and chemical exchange. RSC Advances, 6(29), 24470-24477.
  Knecht, Stephan; Pravdivtsev, Andrey N.; Hövener, Jan-Bernd; Yurkovskaya, Alexandra V. & Ivanov, Konstantin L.
  
• Liquid-state carbon-13 hyperpolarization generated in an MRI system for fast imaging. Nature Communications, 8(1).
  Schmidt, A. B.; Berner, S.; Schimpf, W.; Müller, C.; Lickert, T.; Schwaderlapp, N.; Knecht, S.; Skinner, J. G.; Dost, A.; Rovedo, P.; Hennig, J.; von Elverfeldt, D. & Hövener, J. -B.
  
• In vivo 13C-MRI using SAMBADENA. PLOS ONE, 13(7), e0200141.
  Schmidt, Andreas B.; Berner, Stephan; Braig, Moritz; Zimmermann, Mirko; Hennig, Jürgen; von Elverfeldt, Dominik & Hövener, Jan-Bernd
  
• Parahydrogen‐Based Hyperpolarization for Biomedicine. Angewandte Chemie International Edition, 57(35), 11140-11162.
  Hövener, Jan‐Bernd; Pravdivtsev, Andrey N.; Kidd, Bryce; Bowers, C. Russell; Glöggler, Stefan; Kovtunov, Kirill V.; Plaumann, Markus; Katz‐Brull, Rachel; Buckenmaier, Kai; Jerschow, Alexej; Reineri, Francesca; Theis, Thomas; Shchepin, Roman V.; Wagner, Shawn; Bhattacharya, Pratip; Zacharias, Niki M. & Chekmenev, Eduard Y.
  
• SAMBADENA Hyperpolarization of 13C‐Succinate in an MRI: Singlet‐Triplet Mixing Causes Polarization Loss. ChemistryOpen, 8(6), 728-736.
  Berner, Stephan; Schmidt, Andreas B.; Zimmermann, Mirko; Pravdivtsev, Andrey N.; Glöggler, Stefan; Hennig, Jürgen; von Elverfeldt, Dominik & Hövener, Jan‐Bernd
  
• Method and Apparatus for Hydrogenation And Hyperpolarization of Tracer Molecules for Magnetic Resonance Imaging. WO 2020/035518, 2022
  Schmidt A.; Hövener J. B.; Hennig J. & Berner S.
  
• Process for production of ketocarboxylic acid vinyl esters. WO2023062106A1, 2023
  Herges R.; Brahms A.; Pravdivtsev A. & Hövener J. B.