Langlebige Hyperpolarisation von biologischen Molekülen mittels paraWasserstoff

• Antragsteller: Professor Dr. Jan-Bernd Hövener
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Biochemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409904993

Die moderne Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine beeindruckende Bildgebungsmethode für die medizinische Diagnose. Sie ist jedoch auch, aufgrund der sehr niedrigen thermischen Polarisierung der Kernspins, sehr unempfindlich. Die direkte Messung von Biomolekülen und deren Verstoffwechselung in vivo ist daher stark begrenzt. Hyperpolarisationsmethoden erlauben es nun, das MRT Signal um mehrere Größenordnungen verstärken sodass metabolische Bildgebung in Echtzeit (Sekunden) möglich wird.Das Ziel dieses deutsch-russischen Projektes ist es, eine neue Klasse von hyperpolarisierten Kontrastmitteln zu identifizieren, optimieren und anzuwenden - und zwar bei wesentlich geringeren Kosten als zuvor.Die antragsstellenden deutschen und russischen Forscher weisen mehr als 10 Jahre Erfahrung in diesem Feld auf, was durch mehr als 60 Originalarbeiten zu diesem Thema belegt wird.Beide Gruppen bringen komplementäre und einzigartige Expertisen ein, die notwendig sind, um dieses stark interdisziplinäres Projekt erfolgreich durchzuführen. Hierbei hat die russische Gruppe ihren Schwerpunkt auf chemischen Aspekten, einschließlich der Synthese von neuen, isotopenangereicherten Molekülen, Hydrierungskatalysatoren, und Reaktionsmechanismen. Die deutsche Gruppe hingegen ist auf die physikalischen Aspekte fokussiert, einschließlich der quantenmechanisch-theoretischen Beschreibung der Hyperpolarisierung, der Entwicklung der Hyperpolarisationsinstrumente, der Entwicklung von Spin-Order-Transfer Pulssequenzen und in vivo MRT Methoden.Das Ziel dieses gemeinsamen Projekts ist es, die parawasserstoffbasierten Hyperpolarsiationsmethoden SABRE und die neue Variante SABRE-RELAY entscheident voranzubringen. Insbesondere SABRE-RELAY verspricht durch eine neue Klasse von verwendbaren Molekülen eine dramatische Erweiterung der bisherigen Anwendbarkeit der paraWasserstoffbasierten Hyperpolarisierung.Konkret schlagen wir vor, folgende Themen zu bearbeiten bzw. zu entwickeln: (i) die zugrundeliegende quantenmechanisch-kinetische Theorie für SABRE-RELAY, (ii) neue Synthese neuer, isotopen-markierte Kontrastmittel, (13C acetate, 13C-Vinylacetate, Alanine-15N, Glutamatsäure-15N, Glyzine-15N, Valine-15N, Phenylalanine-15N ), (iii) die Die Reaktions- und Hyperpolarisationsmechanismen dieser Moleküle quantitativ zu untersuchen, (iv) die optimalen hoch- und niederfeld PHIP, SABRE oder SABRE-RELAY Strategien für die Hyperpolarisierung dieser Moleküle in Wasser, Zellkulturen und Blut zu identifizieren, (v) die Lebensdauer dieser Moleküle und deren "Langlebige Zustände" unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen (vi) existente Bildgebungssequenzen für die in vivo Anwendung anzupassen, (vii) die hyperpolarisierte Lösung vom Katalysator zu reinigen und, letztendlich, (ix) deren Anwendung in vivo zu erproben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor V. Koptyug