Kern-Singulett-Zustände in selbstorganisierenden Nanostrukturen als Kontrastmittel für die Magnetresonanzbildgebung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Magnetresonanz ist ein Phänomen, welches in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, wie z.B. der chemischen Analytik oder der biomedizinischen Bildgebung. Ein wesentlicher Aspekt, um die Bildgebung zu verbessern ist der Einsatz von Kontrastmitteln, die dabei helfen Krankheitsbilder besser sichtbarzumachen. Dabei werden typischerweise Übergangsmetallkomplexe, die in den letzten Jahren teilweise als neurotoxisch eingestuft wurden, in einen Patienten injiziert. Das bearbeitete Projekt zielte darauf ab neue Kontrastmittelmechanismen zu untersuchen, die auf den Einsatz von Metallen verzichten. Dabei sollte insbesondere das Phänomen der Kern-Singulett-Zustände untersucht werden, um herauszufinden, ob solche Zustände in selbstorganisierenden Nanostrukturen verwendet werden können, um einen Kontrast zu erzeugen. Kern-Singulett-Zustände können mittels NMR nur indirekt beobachtet werden. Das besondere dieser Zustände ist, dass Zeiten für die Übergänge von einem populierten Singulettzustand in den beobachtbaren Triplettzustand Größenordnungen länger sein können als longitudinale Relaxationszeiten. Aufgrund dieser Eigenschaft ergeben sich neue Möglichkeiten Dynamiken zu untersuchen und potentielle Kontrastmittel zu erzeugen. Über die Projektlaufzeit wurden Peptide synthetisiert, in den sich Singulettzustände populieren lassen sollten, die sich aufgrund eines chemischen Triggers in Nanostrukturen umwandeln. In den getesteten Molekülen ließ sich allerdings kein Singulettzustand anregen, weswegen zwei unterschiedliche Richtungen verfolgt wurden. Zum einen wurde der Singulettzustand des para-Wasserstoffs untersucht, um Kontrast zu erzeugen und im Zuge des Projekts konnten erste Tumorstoffwechselbilder mittels hyperpolarisiertem Pyruvat, dessen Signal durch para-Wasserstoff verstärkt wurde, aufgenommen werden. Zum anderen, wurde das Nutzen von Singulettzuständen in lebenden aquatischen Organismen (Wasserflöhen), erfolgreich getestet, um die Signale bestimmter Metabolite herauszufiltern und Stoffwechseländerungen zu beobachten. Trotz der erfolgreichen Versuche wurde klar, dass durch die Erzeugung von Kern-Singulett-Zuständen im Organismus starke Einbußen bezüglich des Signal-zu-Rauschen hingenommen werden müssen. Zum Schluss des Projekts wurden daher Nanostrukturen untersucht, die mit Deuterium angereichert wurden. Dabei konnte ein erster deuterierter Nanopartikel entwickelt werden, der mittels Deuterium- Bildgebung sichtbar gemacht wurde. Diese Entwicklung eröffnet nun ein neues Feld der deuterierten Nanobildebung mit zahlreichen möglichen Anwendungen für potentielle Diagnostik in der Zukunft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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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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In vivo singlet state filtered nuclear magnetic resonance: towards monitoring toxic responses inside living organisms. Chemical Science, 14(6), 1413-1418.
Lysak, Daniel H.; Kock, Flavio V. C.; Mamone, Salvatore; Soong, Ronald; Glöggler, Stefan & Simpson, Andre J.
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Real-time cell metabolism assessed repeatedly on the same cells via para-hydrogen induced polarization. Chemical Science, 14(28), 7642-7647.
Ding, Yonghong; Stevanato, Gabriele; von Bonin, Frederike; Kube, Dieter & 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
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Parahydrogen-enhanced pH measurements using [1-13C]bicarbonate derived from non-enzymatic decarboxylation of [1-13C]pyruvate-d3. The Analyst, 149(20), 5022-5033.
Santi, Maria Daniela; Hune, Theresa Luca Katrin; Rodriguez, Gonzalo Gabriel; Fries, Lisa M.; Mei, Ruhuai; Sternkopf, Sonja; Elsaßer, Josef & Glöggler, Stefan
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Assessing a hyperpolarized [1-13C]-labeled alanine derivative enhanced via parahydrogen for in vivo studies. Journal of Magnetic Resonance Open, 22, 100183.
Fries, Lisa M.; Moll, Denis; Mei, Ruhuai; Hune, Theresa L.․ K.․; Elsaßer, Josef & Glöggler, Stefan
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Deuterated Nanopolymers for Renal and Lymphatic Imaging via Quantitative Deuterium MRI. Nano Letters, 25(5), 1758-1764.
Fries, Lisa M.; Montrazi, Elton T.; Allouche-Arnon, Hyla; Opazo, Felipe; Bar-Shir, Amnon; Frydman, Lucio & Glöggler, Stefan
