Erzeugung von biokompatiblen 13C-hyperpolarisierten Metabolismuskontrastmitteln an einer Gas-Festkörper-Schnittstelle

• Antragsteller: Dr. Stefan Glöggler
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418416679

Die Kernmagnetresonanz (NMR) ist ein Phänomen, das unter anderem in bildgebenden Verfahren in der medizinischen Diagnostik genutzt wird. Die inhärent niedrige Sensitivität der NMR ist jedoch in vielen Anwendungen ein begrenzender Faktor. Eine Möglichkeit die Sensitivität der NMR zu steigern ist die Nutzung von hyperpolarisierten Metaboliten als Kontrastmitteln. Hierzu können Kernspinzustände in Metaboliten gezielt angereichert werden, was zu Signalverstärkungen um mehr als vier Größenordnungen im Vergleich zum normalen/thermischen Signal führen kann. Diese Metabolite können injiziert werden und in Echtzeit lässt sich z. B. der Metabolismus in Tumoren verfolgen. Aufgrund eines unterschiedlichen Metabolismus des kranken Gewebes, im Vergleich zu normalen Gewebe, kann dies zur klinischen Diagnose eingesetzt werden.Derzeitige Verfahren, um diese Art der Diagnostik zu nutzen sind jedoch sehr kostenaufwändig und außerhalb des Budgets vieler Einrichtungen in Gesundheitswesens und Forschung. In diesem Antrag planen wir eine kostengünstige Alternative zu untersuchen, mit der sich biokompatible hyperpolarisierte Kontrastmittel über die Nutzung von para-Wasserstoff erzeugen lassen. Mittels Hydrierung wird die Spinordnung von para-Wasserstoff in Zwischenprodukten in beobachtbare Magnetisierung umgewandelt, welche zu einer starken Signalverstärkung in diesen Produkten führt. Eine anschließende chemische Reaktion wandelt diese Zwischenprodukte in kurzer Zeit in die hyperpolarisierten Metabolite um, die als Kontrastmittel genutzt werden können. Normalerweise werden für die Hydrierungen homogene Katalysatoren genutzt, die sich schwer aus den erhaltenen Lösungen abtrennen lassen, was bei dieser Methode zu Toxizitätsbedenken führt. In diesem Antrag werden wir Hydrierungen passender Ausgangssubstanzen an einer Gas-Festkörper-Oberfläche untersuchen, bei denen gasförmige hyperpolarisierte Zwischenprodukte entstehen, die in Wasser gesammelt und in den fertigen Metaboliten umgewandelt werden können. Dabei werden wir feste Nanokatalysatoren nutzen, die die Hydrierung an einer Gas-Festkörper-Schnittstelle begünstigen. Hierdurch erzeugen wir eine räumliche Trennung des Katalysators und der erhaltenen Kontrastmittel. Bedenken zur Toxizität der Kontrastmittel werden somit umgangen. In Zellexperimente werden wir zeigen, dass die erhaltenen Kontrastmittel (namentlich Acetat, Laktat und Pyruvat) metabolisiert werden. Dank schneller Produktion der hyperpolarisierten Metabolite werden wir zeigen können, dass sich Veränderungen im Metabolismus der Zellen, die gezielt ausgelöst werden, in Echtzeit beobachtet werden können. Mit der vorgeschlagenen Technik werden wir neue Möglichkeiten eröffnen metabolische Prozesse zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Salvatore Mamone