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

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Ultraschall-basierten Bildgebungsverfahrens für lokale Tumortherapien, basierend auf superparamagnetischer Eisenoxidnanopartikel (SPIONs). Dazu zählen Magnetic Drug Targeting und magnetische Hyperthermie. Hierbei sollen die SPIONs während der Therapie sichtbar gemacht werden. Das Magnetomotive Ultrasound (MMUS) nutzt Gewebeverschiebungen, die durch ein magnetisches Wechselfeld hervorgerufen werden, um SPIONs zu detektieren. Da diese Methode bislang nur qualitative Aussagen über die Partikelverteilung ermöglicht, wurde das Inverse MMUS (IMMUS) für eine quantitative Analyse entwickelt. Im Bereich der Phantomentwicklung wurden Herstellungsverfahren entwickelt, die sowohl SPION-induzierte, als auch vaskuläre und nicht-vaskuläre Strukturen modellieren können. Die Arbeiten zu MMUS führten zur Entwicklung eines neuen Messplatzes, zur Bestimmung der Gewebebewegung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie und zur Erweiterung um laterale Gewebeerschiebung. Die Strain-Elastographie und die Scherwellen-Elastographie wurden als ungeeignet bewertet. Parallel dazu wurden alternative ultraschallbasierte Methoden zur Gewebecharakterisierung wie die Vibrations- und Transiente Elastographie untersucht. Die Bildgebung mittels Streuung und Dämpfung wurde den spezifischen Anforderungen des Projektes nicht gerecht. Die Arbeiten zur Entwicklung eines klinischen Setups sowie zur 3D-Bildgebung befinden sich in der Implementierungsphase. Zu Beginn des Projekts stellte sich heraus, dass das ursprüngliche Partikelsystem nicht geeignet ist. Daher wurde ein neues Partikelsystem entwickelt, basierend auf eine Dopaminfunktionalisierungsstrategie. Dazu wurde Dopamin über einen Ligandenaustausch auf die Oberfläche von Laurinsäure-stabilisierten SPIONs gebracht. In einem weiteren Schritt wurde Humanes Serumalbumin an die SPIONs gebunden (HSA-SPIONs). In biologischen Untersuchungen zeigte sich, dass die HSA-SPIONs eine bessere Stabilität und vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus wurden verschiedene Stabilitätsmessungen durchgeführt, darunter Suszeptibilitätsmessungen, Toxizitätstests und dynamische Pumpversuche, die eine detaillierte Charakterisierung der Partikel ermöglichten. Die geplanten Tierversuche konnten aufgrund der anfänglichen Herausforderungen mit der Partikelsynthese bisher nicht durchgeführt werden, sind aber nun in der Vorbereitungsphase. Da die Quantifizierungsmethoden für den Eisen- und Wirkstoffgehalt in Geweben auf den Ergebnissen der Tierversuche basieren, konnten sie bisher nicht bearbeitet werden. Für die zukünftige Ausrichtung der Bildgebung liegt der Fokus auf der Weiterentwicklung von MMUS und IMMUS. Dazu gehören die Verfeinerung der ultraschallbasierten Gewebecharakterisierung, die Verbesserung der MMUS-Algorithmen sowie die Weiterentwicklung der Simulationsmodelle. Zudem wird das klinische Setup finalisiert und anschließend im Rahmen der Tierversuche mit den neu entwickelten SPION-Systemen getestet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Christoph Alexiou; Professor Dr.-Ing. Helmut Ermert