Für die medizinische Diagnostik und das Entwickeln neuer Behandlungsmethoden spielt die molekulare Bildgebung eine immer wichtigere Rolle. Einem interdisziplinären Team von Forschenden aus den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften, Biomedizin, Quantenphysik und Toxikologie ist es nun im Rahmen des EU-Exzellenzprogramms FETopen gelungen, die Grundlagen für ein neuartiges Kontrastmittel für die Magnetresonanztomografie (MRT) zu entwickeln. Molekulare Veränderungen im menschlichen Körper sollen damit durch MRT erfassbar werden und letztlich die Behandlung von Krankheiten wie Krebs, Alzheimer oder Herzerkrankungen spezifiziert und verbessert werden.
Die Grundidee
Bei der MR-Tomografie werden die Kerne von Wasserstoffatomen im Gewebe mit hochfrequenten Magnetfeld-Impulsen angeregt. So erzeugen sie schwache Signale in den Empfangsspulen, die zu Bildern verarbeitet werden. „Unsere Grundidee war es, Moleküle mit Quadrupolkernen in das Gewebe zu schicken und durch die Interaktion der Wasserstoffkerne mit eben diesen Quadrupolkernen das klassische NMR-Signal zu verändern“, erklärt Hermann Scharfetter, Professor am Institut für Medizintechnik der TU Graz und Leiter der internationalen Arbeitsgruppe. Genau genommen verfolgten die Forschenden das Ziel, den zeitlichen Zerfall des Signals – auch quadrupolverstärkte Relaxation (QRE) genannt - zu verändern. Scharfetter: „Wir waren der Annahme, dass wir mit dem genutzten Prinzip nicht nur die Verteilung des Kontrastmittels für die bessere Abbildung von Organen ausnutzen, sondern durch die Sensitivität von QRE auf die chemische Umgebung auch bereits molekulare Veränderungen nachweisen können und grundsätzlich die Möglichkeit haben, den Kontrast ein- oder auszuschalten.“
Nachweis des Effekts
Nach dreijähriger Forschungsarbeit im Rahmen des FETopen-Projektes CONQUER haben Scharfetter und sein Team nun den Durchbruch zu bahnbrechenden Funktionen in der medizinischen Bildgebung erreicht. Das neuartige Kontrastmittel könnte so weit entwickelt werden, dass der erforschte Effekt auch bei den Feldstärken gängiger MR-Scanner genutzt werden kann. „Wir messen weiterhin das NMR-Signal der Wasserstoffkerne, verändern aber durch die Interaktion mit den Quadrupolkernen die Relaxation und damit den Kontrast. Dafür brauchten wir nur einen herkömmlichen MR-Scanner derart modifizieren, dass wir sein Magnetfeld leicht verschieben können, um so den Kontrast ein- oder auszuschalten.“ Die Ergebnisse wurden im High Impact Journal „Physical Review Letters X“ publiziert und als EU-Patent angemeldet.
Startschuss für neue Möglichkeiten in der klinischen Untersuchung
Die erhofften Resultate kamen mit chemischen Verbindungen des Elements Bismuth zustande: Viele Bismuth-Verbindungen haben günstige Quadrupolresonanzfrequenzen, die nahe an den Magnetfeldern von klinischen MR-Scannern liegen. Darüber hinaus weist Bismuth eine starke Kopplung mit den Wasserstoffkernen auf und wird in der Medizin teilweise schon verwendet. Damit das Kontrastmittel klinisch einsetzbar wird, müssen nun weitere Untersuchungen folgen, wie Scharfetter weiß: „Zukünftig geht es darum, spezielle Nano-Partikel zu designen, die einerseits über diese Bismuth-Komponenten verfügen, andererseits aber auch ohne Nebenwirkungen und gesundheitliche Bedenken gut im menschlichen Körper verteilt werden können. Dafür ist noch viel chemische Synthese notwendig. Unsere Ergebnisse bilden aber den Grundbaustein für ein ‚smartes‘ Kontrastmittel.“
Kooperationspartner
An der TU Graz: Institut für Medizintechnik (Lead), Institut für Anorganische Chemie, Institut für Chemische Technologie von Materialien;
weiters NAWI Graz, das Zentrum für Medizinische Forschung der Med Uni Graz, Universität von Warmia und Mazury (Polen), Universität Maribor (Slowenien), Universität von Umea (Schweden)
Dieses Projekt ist in den Fields of Expertise „Human & Biotechnology“ sowie „Advanced Materials Science“ verankert, zwei von fünf Forschungsschwerpunkten der TU Graz.
Weitere Informationen zu den Forschungsergebnissen finden Sie auch im Artikel Neue Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie auf Planet Research.
