Ultraschall-Verfahren zur quantitativen Abbildung der Verteilung magnetischer Nanopartikel im biologischen Gewebe im Zusammenhang mit Drug-Delivery-Konzepten und Magnetischer Hyperthermie für die lokalisierte Tumorbehandlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Helmut Ermert; Professor Dr. Stefan Lyer; Professor Dr. Stefan J. Rupitsch
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452821018

Nanopartikel finden in der medizinischen Diagnostik und Therapie großes Interesse. Wegen der geringen Größe der Nanopartikel ist nach ihrer Verabreichung über Blutgefäße der sogenannte EPR Effekt (Enhanced Permeability and Retention) nutzbar, der ein starkes Eindringen aus den Gefäßen in biologisches Gewebe und ein intensives Einwirken auf das Gewebe gestattet. Dies gilt insbesondere für Tumorgewebe, dessen Gefäßporen oft vergrößert sind.Magnetische Nanopartikel können mit magnetischen Feldern bewegt, räumlich akkumuliert und aufgeheizt werden, womit sie für die Tumortherapie interessant sind. Im geplanten Vorhaben geht es um zwei Verfahren: (a) die lokalisierte Chemotherapie, bei der wirkstofftragende magnetische Nanopartikel von außerhalb des Körpers mit einem Elektromagneten im Tumorgewebe lokal gebündelt werden und die Wirkstoffe freisetzen können. Dieses Verfahren, das die Nebenwirkungen der konventionellen Chemotherapie reduziert, ist auch als Magnetic Drug Targeting (MDT) bekannt. Beim zweiten Verfahren, (b) der Magnetischen Hyperthermie (MH), werden die Partikel mit einem magnetischen Wechselfeld erwärmt und wirken thermisch auf das Gewebe ein.In beiden Fällen besteht Bedarf am Monitoring der räumlichen Verteilung der Partikel in den zu therapierenden Gewebebereichen sowie an der quantitativen Bestimmung der Partikeldichte. Zwar sind Magnetresonanztomographie (MRT) und Magnetic Particle Imaging (MPI) prinzipiell dazu geeignet, jedoch sind diese Modalitäten aufwendig und bei den Therapieverfahren MDT und MH schwer zu applizieren. Hingegen gilt der Ultraschall als wenig aufwendige und leicht handhabbare Modalität. Allerdings erzeugen Nanopartikel wegen ihrer geringen Abmessungen im Ultraschall nur eine extrem schwache Rückstreuung und sind im konventionellen Ultraschallbild nicht sichtbar. Deshalb müssen spezielle Effekte für eine sonographische Darstellung genutzt werden. Beim „magneto-motiven“ Ansatz werden die Nanopartikel mit magnetischen Wechselfeldern zu periodischen Bewegungen angeregt, die sich auf das umgebende biologische Gewebe übertragen, womit Partikelbewegungen mit Ultraschall indirekt sichtbar gemacht und Partikelverteilungen qualitativ dargestellt werden können. Ein inverses Konzept erlaubt auch eine quantitative Bestimmung der Partikeldichte. Ein zweiter Ansatz nutzt aus, dass das von Nanopartikeln durchsetzte Gewebe veränderte pauschale mechanische, z. B. elastische Eigenschaften annimmt. Damit kann die Partikeldichte mittels Ultraschall-Elastographie visualisiert und quantifiziert werden. Aufbauend auf ermutigenden Ergebnissen eigener Vorarbeiten sollen diese Verfahren weiterentwickelt und im Rahmen der beschriebenen Therapieverfahren erprobt werden. Gleichzeitig wird die Möglichkeit überprüft, durch Modifikation der Partikelsynthese die Darstellung und Quantifizierbarkeit der Partikel zu beeinflussen. Die Untersuchungen sollen zunächst an Phantomen und später im Tierversuch durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Ultraschallmesssystem
• Gerätegruppe: 3900 Ultraschall-Diagnostikgeräte
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christoph Alexiou