Schnelle Hydrierung und Hyperpolarisierung für wiederholte, hochsensitive, metabolische Magnetresonanztomographie

• Antragsteller: Dr. Andreas Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458556701

Mechanistische Informationen des Säugetierstoffwechsels und dynamische Stoffwechseländerungen sind in vivo mit den typischen Analyseverfahren schwer zugänglich, da entweder die räumliche, chemische oder zeitliche Auflösung unzureichend ist. Die Magnetresonanztomografie (MRT) ist eine der wichtigsten diagnostischen Methoden der Medizin. Grundsätzlich kann sie auch für die nicht-invasive, strahlenfreie Bildgebung des Stoffwechsels eingesetzt werden, wegen ihrer niedrigen Sensitivität können die gering-konzentrierten Metaboliten jedoch nur sehr begrenzt detektiert werden. Diese Limitierung kann durch Verbesserung der Empfindlichkeit der MRT adressiert werden: Durch Hyperpolarisierung (HP) werden Kernspins von Molekülen tausendfach stärker im Magnetfeld ausgerichtet. Damit lassen sich stoffwechselaktive, hyperpolarisierte Tracer für die MRT herstellen, deren Umwandlung in vivo mit 10^4-10^5-fach verstärkter Sensitivität nachverfolgt werden kann, wodurch die Stoffwechselpfade der Tracer sichtbar werden. Das enorme Potential der HP für die Diagnose und Therapieplanung, beispielsweise bei Tumoren, wurde bereits präklinisch und human gezeigt. Kürzlich haben wir demonstriert, dass HP-Tracer innerhalb von Sekunden direkt im MRT System hergestellt und in vivo appliziert werden können. Da kein Transfer der Tracer zum MRT notwendig ist, kann ein größerer Anteil der kurzlebigen Signalverstärkung (~Minuten) für die Bildgebung verwendet werden. Zudem ist es uns gelungen HP-Tracer im Abstand von nur 15 s wiederholt herzustellen.Die wohl größte Herausforderung der HP ist ihre kurze Lebensdauer, denn sie zerfällt mit der longitudinalen Relaxationszeit, T1 (für Kohlenstoff-13 (13C) in Deuterium-markierten Molekülen oft ~1 min; das T1 von Protonen ist typischerweise kürzer) – 13C-HP Tracer können also für etwa 2 – 3 min nach HP gemessen werden.In diesem Vorhaben werden wir das beobachtbare Zeitfenster zum ersten Mal deutlich verlängern. Dazu ermöglichen wir es Tracer in hoher Konzentration und mit hoher Hyperpolarisierung schnell periodisch herzustellen und in vivo zu applizieren. Das Potenzial dieses Vorgehens zeigen wir im Tierversuch und beobachten dynamische Änderungen der Aufnahme und Verstoffwechselung von Laktat im Gewebe, während wir durch wiederholte Injektion eines Laktat-Tracers die Blutkonzentration erhöhen. Laktat ist ein Metabolit für die Energiegewinnung und seine Konzentration im Blut ein bedeutender Parameter der klinischen Diagnostik, mitunter in Sport- und Intensivmedizin. Beispielsweise ist die Sterblichkeit intensivmedizinisch versorgter Patienten bei schwerer Hyperlaktatämie (> 10 Millimol / L Laktat im Blut) stark erhöht, insbesondere wenn der Wert nicht innerhalb von 12 h wesentlich abfällt. Ein besseres Verständnis des Abbaus von Laktat wird uns helfen, pathologische Konzentrationsänderungen künftig besser zu untersuchen und zu interpretieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen