OSU-Forscher entwickeln ein hochwirksames, niedrig dosiertes Mangan-MOF-MRT-Mittel

OSU-Forscher entwickeln ein hochwirksames, niedrig dosiertes Mangan-MOF-MRT-Mittel

Wissenschaftler der Oregon State University haben ein Patent auf ein Design für ein neues Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie angemeldet, das das Potenzial hat, aktuelle Kontrastmittel zu übertreffen und gleichzeitig weniger toxisch für Patienten und umweltfreundlicher zu sein.

Das neue Material basiert auf einer Struktur, die als metallorganisches Gerüst (MOF) bekannt ist und deren Entwicklung in den 1990er Jahren mit dem diesjährigen Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde, da die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von MOFs immer deutlicher werden.

MOFs bestehen aus positiv geladenen Metallionen, die von organischen „Linker“-Molekülen umgeben sind. Sie haben nanoskalige Poren und können mit einer Vielzahl von Komponenten gestaltet werden, die die Eigenschaften des MOFs bestimmen.

Forscher unter der Leitung von Kyriakos Stylianou vom OSU College of Science sagen, ihr neuartiges MOF auf Manganbasis, das sie BVR-19 nannten, sei eine vielversprechende Alternative zu derzeit verwendeten Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis. BVR ist eine Abkürzung für Beaver, das Maskottchen der OSU.

Ein Kontrastmittel, auch Kontrastmittel genannt, ist eine Substanz, die die Sichtbarkeit von Gewebe bei der medizinischen Bildgebung verbessert. Weltweit hat die MRT-Kontrastmittelindustrie einen geschätzten Wert von mehr als 1,5 Milliarden US-Dollar und wird in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich um 750 Millionen US-Dollar wachsen, da die Nachfrage nach nicht-invasiven Diagnoseverfahren steigt.

Gadolinium ist ein Seltenerdelement, das Bedenken hinsichtlich der Toxizität für Patienten, potenzieller Umweltschäden und Lieferkettenproblemen aufwirft, da China über viele der Seltenerdreserven und einen Großteil der Verarbeitungs- und Produktionskapazität verfügt.

Mangan kommt jedoch in der Erdkruste reichlich vor. Mangan wird nicht nur bei der Herstellung von Batterien, Stahl und Keramik verwendet, sondern ist in Spuren auch für die menschliche Gesundheit lebenswichtig und spielt eine Rolle bei der Antioxidation, der Knochenbildung und dem Stoffwechsel von Cholesterin, Kohlenhydraten und Aminosäuren.

„BVR-19 stellt einen Paradigmenwechsel in der Entwicklung von MRT-Kontrastmitteln dar“, sagte Stylianou, der das Materials Discovery Laboratory (MaD Lab) der OSU leitet.

Wir ersetzen giftige Metalle durch reichlich vorhandene, biokompatible Metalle, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.“

Kyriakos Stylianou, College of Science, Oregon State University

Gadolinium werde seit fast 40 Jahren in Kontrastmitteln verwendet, sagte er. Da der Körper die Kontrastmittel nicht verstoffwechselt, gelangen sie nahezu unverändert in die Abwassersysteme und unterliegen einem Abbau in Kläranlagen. Ihre langfristigen ökotoxikologischen Auswirkungen sind nicht genau bekannt.

Laut Stylianou bestehe auch das Risiko einer Gadolinium-Retention im Körper. Die meisten Wirkstoffe sind so konzipiert, dass sie innerhalb von 24 Stunden nach der Verabreichung ausgeschieden werden, aber selbst bei Patienten mit normaler Nierenfunktion kann Gadolinium über Monate oder Jahre im Gewebe verbleiben. Die Retention wurde nicht schlüssig mit einer Krankheit in Verbindung gebracht, aber die Food and Drug Administration hat Warnungen herausgegeben und verlangt eine Aufklärung der Patienten, da die langfristigen Folgen ungewiss sind.

BVR-19 ist das erste MOF auf Manganbasis, das L-Cystin enthält, eine natürlich vorkommende, biokompatible Aminosäure, sagte Stylianou. Seine Synthese findet in Wasser bei Raumtemperatur statt, es sind keine giftigen Lösungsmittel oder andere raue Bedingungen erforderlich, und Tests zeigen, dass es hellere, klarere Bilder bei geringeren Dosen ermöglicht, als dies bei derzeit im Handel erhältlichen Wirkstoffen erforderlich ist.

„Diese Arbeit unterstreicht die Führungsrolle der OSU bei der Entwicklung funktionaler MOFs für medizinische und Umweltanwendungen und zeigt, wie grüne Chemie und Materialdesign zusammengeführt werden können, um sicherere Technologien zu schaffen“, sagte er. „Es schlägt eine Brücke zwischen Chemie, Toxikologie und Medizin und zeigt, wie die Zusammenarbeit zwischen Disziplinen grundlegende Entdeckungen in Technologien umwandeln kann, die die menschliche Gesundheit direkt verbessern.“

Der Doktorand Jacob Lessard und der Student Dylan Pyle waren Erstautoren der Studie, die im veröffentlicht wurde Zeitschrift für Materialchemie B. Weitere beitragende Mitglieder des MaD Lab waren der Postdoktorand Andrzej Gladysiak, der Doktorand Emmanuel Musa und der Student Jeff Bowen.

An der Zusammenarbeit beteiligten sich auch Robyn Tanguay, Lisa Truong und Siva Kolluri vom OSU College of Agricultural Sciences sowie Cory Wyatt von der Oregon Health & Science University.

Quellen: