Erzeugung von biokompatiblen 13C-hyperpolarisierten Metabolismuskontrastmitteln an einer Gas-Festkörper-Schnittstelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Para-Wasserstoff ist ein Spinisomer des Wasserstoffgases, welches in der Kernmagnetresonanz (NMR) genutzt werden kann, um Signale temporär um mehrere Größenordnungen zu verstärken. Der klassische Weg ist es dabei eine Hydrierungsreaktion mittels eine Katalysators in Lösungsmittel durchzuführen. Über die vergangenen Jahre ist die Nutzung von para-Wasserstoff zur Signalverstärkung von Stoffwechselmolekülen stark in den Fokus gerückt, denn es verspricht eine Nutzung dieser als Kontrastmittel für die biomedizinische Bildgebung. Dabei hat dieses Verfahren den Vorteil, dass es die Signal von Stoffwechselprodukten in wenigen Sekunden erhöhen kann, was sehr viel schneller ist als der Stand-der-Technik, die dynamische Kernpolarisation (DNP), welche mehrere 10 Minuten bis Stunden dafür benötigt. Im Zuge der Untersuchung in diesem Projekt sollten möglichst reine Lösungen von signalverstärkten – oder hyperpolarisierten – Metaboliten hergestellt werden, um diese im Zusammenhang mit Zelluntersuchungen zu testen. Dabei sollte untersucht werden, wie Präkursormoleküle von Stoffwechselprodukten an einer Festkörper- Gas-Schnittstelle hydriert werden können und diese im Anschluss hydrolysiert werden, um das gewünschte, hyperpolarisierte Stoffwechselprodukt zu erhalten. Zu Beginn der Projektlaufzeit wurden erste Versuche mit dekorierten Nanokatalysatoren unternommen, die in einem Ofen erhitzt wurden. In ersten Testversuchen wurde Propylen hydriert, wobei sich früh zu Beginn des Projekts ergab, dass nicht genügend Polarisation erreicht wird, um Stoffwechselversuche durchzuführen. Es wurde sich daher im Anschluss darauf fokussiert, zunächst gepulste NMR-Versuche zu entwickeln, um hohe Konzentration von Metaboliten in organischen Lösungsmitteln zu erzeugen, die für biologische Versuche eingesetzt werden können. Dabei konnten hohe Konzentration (50 mM) und sehr hohe Polarisationswerte (>10% auf 13C Spins der Stoffwechselprodukte) erhalten werden. Hiermit wurden im Anschluss Zelluntersuchungen in Parkinson und Krebsmodellen durchgeführt, wobei insbesondere der Pyruvat-Laktat-Stoffwechsel und dessen Änderungen in Krankheiten untersucht wurde. Letztlich, lieferten die hier durchgeführten Entwicklungen einen großen Beitrag zu den allerersten erfolgreichen Tumorbildern, die mit para-Wasserstoff generierten Metaboliten von uns aufgenommen wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Production of highly concentrated and hyperpolarized metabolites within seconds in high and low magnetic fields. Physical Chemistry Chemical Physics, 21(41), 22849-22856.
Korchak, Sergey; Emondts, Meike; Mamone, Salvatore; Blümich, Bernhard & Glöggler, Stefan
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Nuclear hyperpolarization of (1-13C)-pyruvate in aqueous solution by proton-relayed side-arm hydrogenation. The Analyst, 146(5), 1772-1778.
Dagys, Laurynas; Jagtap, Anil P.; Korchak, Sergey; Mamone, Salvatore; Saul, Philip; Levitt, Malcolm H. & Glöggler, Stefan
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Signal-enhanced real-time magnetic resonance of enzymatic reactions at millitesla fields. Chemical Science, 12(1), 314-319.
Korchak, Sergey; Jagtap, Anil P. & Glöggler, Stefan
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Spontaneous Enhancement of Magnetic Resonance Signals Using a RASER. Angewandte Chemie International Edition, 60(38), 20984-20990.
Korchak, Sergey; Kaltschnee, Lukas; Dervisoglu, Riza; Andreas, Loren; Griesinger, Christian & Glöggler, Stefan
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A Field‐Independent Method for the Rapid Generation of Hyperpolarized [1‐13C]Pyruvate in Clean Water Solutions for Biomedical Applications. Angewandte Chemie International Edition, 61(34).
Mamone, Salvatore; Jagtap, Anil P.; Korchak, Sergey; Ding, Yonghong; Sternkopf, Sonja & Glöggler, Stefan
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Metabolic Tumor Imaging with Rapidly Signal‐Enhanced 1‐13C‐Pyruvate‐d3. ChemPhysChem, 24(2).
Hune, Theresa; Mamone, Salvatore; Schroeder, Henning; Jagtap, Anil P.; Sternkopf, Sonja; Stevanato, Gabriele; Korchak, Sergey; Fokken, Claudia; Müller, Christoph A.; Schmidt, Andreas B.; Becker, Dorothea & Glöggler, Stefan
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Rapidly Signal‐enhanced Metabolites for Atomic Scale Monitoring of Living Cells with Magnetic Resonance. Chemistry–Methods, 2(7).
Ding, Yonghong; Korchak, Sergey; Mamone, Salvatore; Jagtap, Anil P.; Stevanato, Gabriele; Sternkopf, Sonja; Moll, Denis; Schroeder, Henning; Becker, Stefan; Fischer, André; Gerhardt, Ellen; Outeiro, Tiago F.; Opazo, Felipe; Griesinger, Christian & Glöggler, Stefan
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Real-Time Pyruvate Chemical Conversion Monitoring Enabled by PHIP. Journal of the American Chemical Society, 145(10), 5864-5871.
Stevanato, Gabriele; Ding, Yonghong; Mamone, Salvatore; Jagtap, Anil P.; Korchak, Sergey & Glöggler, Stefan
