Röntgentomographische Untersuchung der Biodristribution magnetischer Partikel bei biomedizinischen Anwendungen von Ferrofluiden
Final Report Abstract
Der Einsatz magnetischer Nanopartikel in der Medizin und dabei insbesondere im Rahmen moderner Ansätze zur Krebstherapie stellt in den letzten zehn Jahren ein stetig wachsendes Forschungsfeld mit außerordentlich hohem zukünftigen Anwendungspotential dar. Dabei werden im Wesentlichen zwei zentrale Ansätze für diese krebstherapeutischen Verfahren verfolgt. Einerseits versucht man magnetische Partikel in der Tumor-Region anzureichern und dann über magnetische Wechselfelder über fortlaufende Ummagnetisierungsprozesse eine Energiedissipation ins Gewebe zu erzeugen, die zu einer Erwärmung des Tumorgewebes führt. Diese kann entweder zu einer Erhöhung der Sensitivität gegenüber anderen therapeutischen Zugängen wie Bestrahlung oder Chemotherapie führen, oder bei entsprechend hohen Temperaturen direkt zu einer Abtötung der Tumorzellen Anlass geben. Auf der anderen Seite wird das Ziel verfolgt, die magnetischen Nanopartikel als Trägermedium für Chemotherapeutika zu verwenden und über entsprechend strukturierte Magnetfelder eine magnetische Strömungsbeeinflussung der magnetischen Partikel im Blutstrom zu erzielen, die am Ende zu einer lokalen Chemotherapie mit entsprechend reduzierten Nebenwirkungen führen soll. Sowohl für die Anwendung als auch für die Erforschung beider therapeutischer Ansätze ist die Verteilung der magnetischen Nanopartikel im Gewebe von zentraler Bedeutung. Für die eigentliche Anwendung ist es offensichtlich, dass beide Verfahren nur dann erfolgreich sein können, wenn die magnetischen Nanopartikel im Wesentlichen in den Tumor gelangen und dort gleichmäßig verteilt sind. Für die Erforschung der beiden Ansätze ist es essentiell, den Zusammenhang zwischen der räumlichen Verteilung der magnetischen Partikelkonzentration und den Versuchsbedingungen - unter denen die Partikel appliziert wurden - herzustellen. An dieser Stelle stellt sich das zentrale Problem, dass in der Medizin keine Verfahren etabliert sind, die insbesondere für umfangreiche Versuchsreihen eine detaillierte Information über die Nanopartikel-Konzentration im Gewebe liefern können. Das medizinische Standardverfahren zur Detektion magnetischer Partikel im Gewebe ist nach wie vor die Histologie, die zwar eine hohe räumliche Auflösung und eine hohe Sensitivität mit Blick auf den Partikelgehalt liefert, gleichzeitig aber nur lokale Informationen zur Verfügung stellen kann, da in der Regel nur einzelne Gewebeschnitte untersucht werden können. Das Ziel des Vorhabens war es daher, die Röntgenmikrotomographie als Mittel zur dreidimensionalen Untersuchung der Verteilung magnetischer Nanopartikel im Gewebe zu etablieren. Dabei muss beachtet werden, dass magnetische Nanopartikel bezüglich ihrer Größe deutlich unterhalb der Auflösungsgrenze heutzutage verfügbarer Röntgentomografie-Anlagen liegen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Gewerbeproben in der Größe eines in Tierversuchen gezogenen Tumors mit einem typischen Durchmesser von circa 1 cm untersucht werden sollen, da in diesem Fall bestenfalls räumliche Auflösungen von einigen Mikrometern erzielt werden können. Das bedeutet, dass die Information über die Nanopartikel-Verteilung über eine Veränderung der Grauwerte in den Tomogrammen gewonnen werden muss, ohne dass einzelne Partikel lokalisiert werden können. Dies stellt das zentrale Problem für die zweite Kernaufgabe des Vorhabens dar, nämlich für die Quantifizierung der Partikelkonzentration im Gewebe. Für eine wissenschaftlich fundierte Aussage über Erfolge therapeutischer Versuche ist nicht nur eine qualitative Verteilung der Partikel von Bedeutung, sondern es muss vielmehr eine quantitative Information über den Partikelgehalt mit einer räumlichen Auflösung, die der Auflösung des Tomogramms entspricht, erzeugt werden. Der zweitgenannte Punkt stellt dabei hohe Anforderungen sowohl an die Messgenauigkeit der tomografischen Untersuchungen als auch an die anschließende Datenauswertung im Rahmen zu entwickelnder digitaler Bildverarbeitungsalgorithmen. Im Rahmen des Vorhabens wurde diese Gesamtproblemstellung dadurch angegangen, dass Gewebephantome mit unterschiedlichen Konzentrationen magnetischer Nanopartikel erzeugt wurden. Durch die tomografische Vermessung dieser Phantome unter Experimentbedingungen, die denen der Untersuchung der Gewebeproben entsprachen, konnte eine Kalibrationskurve erstellt werden, die die ermittelten Grauwerte der Referenzproben mit dem Gehalt an magnetischen Nanopartikeln korrelierte. Unter Verwendung dieser Kalibrationskurve konnte mit einer eigens entwickelten Software jedem Voxel eines Tomogramms eine Nanopartikelkonzentration zugewiesen und diese farblich kodiert werden. Auf diese Weise wurde es möglich, quantitative Informationen über die Nanopartikel-Verteilung in den untersuchten Gewerbeproben zu erzielen und grafisch darzustellen. Mit Hilfe des Verfahrens wurde eine Reihe von Tumoren aus Tierexperimenten zum magnetischen drug-targeting sowie zahlreiche Gewebeproben aus Grundlagenuntersuchungen zur magnetischen Rückhaltung von Nanopartikeln in Arterien untersucht. Die Resultate der Quantifizierung dieser Tomogramme hinsichtlich des Nanopartikelgehalts wurden mit Analysen des Nanopartikelgehalts in diesen Proben, die mittels Magnetrelaxometrie (MRX) [4], die an der Physikalisch-technischen Bundesanstalt in Berlin von der Arbeitsgruppe Trahms durchgeführt wurden, verglichen. Es zeigte sich, dass ohne weitere Anpassung eine Übereinstimmung in der Größenordnung von 2 bis 5 % zwischen den tomografischen Daten und den Ergebnissen der MRX-Messungen vorlag. Damit konnte nachgewiesen werden, dass die Quantifizierung des Nanopartikelgehalts auf Basis von Kalibrationskurven, die über Gewebephantome mit magnetischen Nanopartikeln erzielt wurden, eine gute Quantifizierungsgenauigkeit liefert, verbunden mit einer Information über die räumliche Verteilung der magnetischen Nanopartikel in der untersuchten Probe mit einer Auflösung von circa 15 μm. Zusammenfassend kann damit festgestellt werden, dass es im Rahmen des Vorhabens gelungen ist, ein Kalibrationsverfahren zu entwickeln, das die Detektion magnetischer Nanopartikel in Gewebeproben mit hoher quantitativer Genauigkeit und räumlicher Auflösung erlaubt. Über erste Versuche mit medizinischen CT-Scannern konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass das Verfahren mit hinreichender Genauigkeit auch auf medizinischen Standardgeräten eingesetzt werden kann, sodass auf mittlere Sicht sogar eine In-situ-Verfolgung der magnetischen Partikelkonzentration, zum Beispiel in Versuchen zum magnetischen drugtargeting, möglich sein wird.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.02.021)
