Fullerene bieten einen einfacheren Weg zur Erstellung hochempfindlicher MRT-Ziele

Fullerene bieten einen einfacheren Weg zur Erstellung hochempfindlicher MRT-Ziele

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist in der medizinischen Welt von unschätzbarem Wert. Aber trotz allem Guten gibt es Raum für Verbesserungen. Eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit der MRT zu erhöhen, ist die sogenannte dynamische Kernpolarisation (DNP), bei der Zielmoleküle für die Bildgebung so modifiziert werden, dass sie beim Scannen mit einem MRT-Gerät klarere Bilder erzeugen. Diese Technik erfordert jedoch einige spezielle kristalline Materialien, gemischt mit polarisierenden Wirkstoffen, die schwer herzustellen sind. Zum ersten Mal demonstrieren Forscher, darunter auch von der Universität Tokio, die Verwendung von Molekülen namens Fullerene als Polarisatoren. Ihre neue Methode kann DNP-Ziele ausreichend machen, um bei der Bildgebung mit einem MRT-Gerät eine weitaus größere Klarheit zu erzielen, was potenzielle Vorteile für verschiedene medizinische Anwendungen bietet.

Wenn Sie das Glück haben, noch nie das Innere eines MRT-Geräts gesehen zu haben, dann kennen Sie sie wahrscheinlich noch: riesige ringförmige Dinge, die eine Person umhüllen und sie geräuschvoll scannen, um detaillierte 3D-Bilder für Diagnosezwecke zu erstellen. Seit ihrer Einführung in die medizinische Welt vor über vier Jahrzehnten haben MRT-Geräte Klinikern und Forschern die Nutzung von 3D-Daten für verschiedene Diagnose- und Forschungszwecke ermöglicht. Aber wie bei jeder Maschine werden ständig Upgrades vorgeschlagen, um den einen oder anderen Aspekt zu verbessern, sei es Größe, Kosten, Geräuschpegel, Funktionen oder Fähigkeiten.

Bei einer typischen MRT wird ein großes Magnetfeld erzeugt. Dadurch werden die Protonen der Wassermoleküle im Körper oder in der Probe dazu gezwungen, sich auszurichten. Die Maschine sendet dann Radiowellen aus, die diese Protonen aus der Ausrichtung bringen, sodass sie unter der Kraft des Magnetfelds wieder in die Ausrichtung zurückkehren. Bei der Neuausrichtung geben die Protonen ein verräterisches Funksignal ab, das die Maschine erkennt und nutzt, um die Art des Gewebes zu identifizieren, von dem das Signal stammt. Aber wie Sie vielleicht bereits bemerkt haben, bedeutet dies, dass typische MRT-Geräte auf die Erkennung wasserreicher Proben beschränkt sind. Daher suchten Forscher nach einer Möglichkeit, den Umfang dessen, was die Maschinen erkennen können, zu erweitern, und hier kommen neue Forschungsergebnisse des Fachbereichs Chemie ins Spiel.

Eine etablierte Möglichkeit, den Detail- und Informationsgehalt von MRT-Bildern zu verbessern, ist die Verwendung chemischer Targets im Patienten oder in der Probe. DNP funktioniert auf diese Weise, erfordert jedoch Wirkstoffe, um die Zielmoleküle zu polarisieren, was wiederum normalerweise extrem kalte oder kryogene Temperaturen und hohe Magnetfeldbedingungen erfordert. Aber wir haben einen einfacheren Weg aufgezeigt, Ziele zu polarisieren. Unsere Arbeit zeigt, dass wir durch die Verwendung speziell entwickelter Moleküle namens Fullerene die Polarisationsrate in einer Probe aus ungeordnetem, glasartigem Material auf 14,2 % steigern können. Dieser Wert ist hoch genug für biologische Anwendungen, bei denen ein Schwellenwert von 10 % das gewünschte Minimum ist; andernfalls zerfallen polarisierte Moleküle zu schnell, als dass ihre Signale brauchbare Bilder liefern könnten.“

Professor Nobuhiro Yanai, Fachbereich Chemie

Fullerene, auch Buckyballs genannt, sind geometrische 3D-Gitter aus Kohlenstoffatomen, die die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen haben, da sie auf unterschiedliche Weise modifiziert werden können, um funktionelle Materialien herzustellen. In diesem Fall fügten Yanai und sein Team den Fullerenen bestimmte Modifikationen hinzu, die ihre Rotation verhinderten, sodass sie polarisiert blieben. Wenn sie in eine Probe gegeben werden, übertragen die Elektronen dieser Fullerene ihre Spinpolarisation auf die Kerne benachbarter Atome, und diese Polarisation führt zu stärkeren Signalen, die von den Bildsensoren erkannt werden können. Und alles, was die Forscher tun müssen, um ihre speziellen Fullerene, sogenannte trans-3a-Isomere, dazu zu überreden, ist, sie mit einer bestimmten Art von Licht zu bestrahlen.

„Die Polarisation der Ziele erfolgt außerhalb des Körpers. Nach der Polarisation wird die Probe aufgelöst und das Fulleren, das schädlich sein könnte, wird vor der Injektion in einen hypothetischen Patienten entfernt“, sagte Doktorandin Kieta Sakamoto. „Da diese Methode, Triplett-DNP, die Notwendigkeit eines flüssigen Heliumkühlmittels vermeidet, kann sie mit viel einfacheren und kostengünstigeren Geräten betrieben werden. Sie ermöglicht auch die Massenpolarisierung diagnostischer chemischer Sonden wie Pyruvat oder Krebsmedikamente, die mit herkömmlicher MRT nicht nachgewiesen werden können. Unser nächstes Ziel ist die Entwicklung biokompatibler Matrizen, damit wir solche medizinisch wichtigen Moleküle hyperpolarisieren können. Wir planen, zunächst hochempfindliche MRT in Tiermodellen zu demonstrieren. Wenn diese Experimente erfolgreich sind, und klinische Studien Wir gehen davon aus, dass diese Technologie in etwa 10 bis 20 Jahren in reale medizinische Anwendungen gelangen wird.“

Quellen: