Präklinische Translation der Signalverstärkung durch reversible Austauschprozesse für die nächste Generation hyperpolarisierter metabolischer Magnetresonanztomographie

• Antragsteller: Dr. Andreas Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571352963

Hyperpolarisierte Magnetresonanz ermöglicht Signalverstärkungen um mehr als das 10.000-fache gegenüber der konventionellen MRT und erlaubt so die zuvor nicht zugängliche Echtzeitbeobachtung metabolischer Prozesse. Dies hat weltweit zunehmendes Interesse geweckt und die Methode wird aktuell in über 50 klinischen Studien untersucht. Zur vollen Ausschöpfung des biomedizinischen Potenzials der hyperpolarisierten MRT, sowie für eine breite Anwendung in der präklinischen Forschung und eine erfolgreiche zukünftige klinische Translation sind jedoch robuste, kosteneffiziente, benutzerfreundliche, sichere und hochdurchsatzfähige Hyperpolarisations-Technologien unerlässlich. In diesem Projekt wird parawasserstoffbasierte Hyperpolarisation als alternativer Ansatz für die metabolische MRT untersucht, mit Fokus auf der Signalverstärkung durch reversiblen Austausch (SABRE). SABRE ermöglicht die schnelle und wiederholte Hyperpolarisierung biologisch relevanter Moleküle ohne chemische Modifikation. Da die Methode bei Raumtemperatur und ohne Kryotechnik betrieben wird, ist sie besonders vielversprechend für hochdurchsatzfähige Anwendungen in der präklinischen Forschung. Wir werden das Potenzial von SABRE für die biomedizinische Bildgebung systematisch untersuchen - durch Analyse des Polarisationsübertrags in 13C-markierten Metaboliten, durch Entwicklung von Methoden zur Herstellung biokompatibler, hyperpolarisierter Lösungen sowie durch deren Untersuchung in Zell- und Tiermodellen. Im Fokus stehen bewährte metabolische Sonden wie Pyruvat, α-Ketoglutarat, Ketoisocaproat, Fumarat und pH-sensitive Moleküle, darunter auch deuterierte und veresterte Varianten mit optimierten Eigenschaften für biomedizinische Anwendungen, sowie ausgewählte Kombinationen dieser Sonden. Zur Umsetzung dieser Studien erarbeiten wir geeignete Polarisationsmethoden und dedizierte Hardware, darunter ein neuartiger SABRE-Polarisator sowie ein für kontinuierliche Hyperpolarisations-Experimente einsetzbarer NMR-tauglicher Bioreaktor, der wiederholte Echtzeitmessungen in lebenden Zellen erlaubt. Durch die einzigartige Kombination mit unseren schnellen Polarisationsmethoden werden wir komplexe metabolische Eigenschaften longitudinal erfassen – etwa zur Untersuchung dynamischer Stoffwechselveränderungen infolge von Hypoxie oder Nährstoffverfügbarkeit – und das mit hoher zeitlicher Auflösung. In vivo-Experimente an gesunden Mäusen dienen der Untersuchung von Biodistribution, Polarisationslebensdauer und der Machbarkeit von Mehrfachinjektionen. Aufbauend auf unseren jüngsten Erfolgen bei der in vivo-Anwendung SABRE-basierter Stoffwechselbildgebung sowie umfangreichen Vorarbeiten schafft dieses Projekt die Grundlage für die Untersuchung eines breiten Spektrums metabolischer Prozesse. Wir ebnen damit den Weg für zukünftige Anwendungen in Krankheitsmodellen und Forschungen zur klinischen Translation der neuen Methoden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Hochdurchsatz Parawasserstoff-Generator
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Dominik von Elverfeldt