Bessere Auflösung dank Hyperpolarisation

Bildgebende Verfahren wie Magnetresonanztomographie (MRT) oder Computertomographie (CT) sind aus der heutigen Medizin nicht mehr wegzudenken. Diese Methoden erlauben schnellere und genauere Diagnosen und haben sich im Laufe der letzten Jahre stark verbessert. Jedoch setzt die Aufl?sung und Qualit?t der Bilder aufgrund der Komplexit?t des menschlichen K?rpers diesen Technologien noch immer Grenzen. Eine Zusammenarbeit von Forschenden der ETH Z¨¹rich, der EPFL, des CNRS, der ENS Lyon, des CPE Lyon haben einen externe Seite neuen Ansatz entwickelt, um die M?glichkeiten der medizinischen Bildgebung stark zu verbessern bei gleichzeitiger h?herer Sicherheit f¨¹r Patienten.

ETH News: Was muss man sich unter HYPSOs vorstellen?
Christophe Cop¨¦ret: HYPSOs sind eine neue Generation von Materialien, um Molek¨¹le in L?sungen zu polarisieren, dass heisst Kernspins werden alle gleich ausgerichtet. Diese Materialien sind ein feines weisses Pulver und bestehen aus Silikat, dem Hauptbestandteil von Sand. Es wurde so entwickelt, damit es zahlreiche Poren mit einem Durchmesser zwischen f¨¹nf und zehn Nanometer aufweist. Auf der Oberfl?che des Silikats sind gleichm?ssig organische Radikale aufgebracht, die eigentliche Polarisationsquelle. Mit diesen Materialien haben wir Metaboliten, welche wichtig f¨¹r 13-C Magnetresonanztomographie sind, polarisiert.

Welche Vorteile hat das neue Verfahren?
Bei ?klassischer? MRT, wie sie heute standardm?ssig angewendet wird, kommt das Signal von den Protonen im Wasser. Dies hat eine gute Sensitivit?t zur Folge, aber der Informationsgehalt ist nicht sehr hoch. So m¨¹ssen beispielsweise Tumore relativ gross sein, damit sie mittels klassischer MRT erkannt werden. Gewisse Tumore, die ihre Gr?sse nicht ?ndern, werden so aber leider viel zu sp?t erkannt. Der Vorteil von C-13 MRT gegen¨¹ber einer klassischen MRT ist, dass damit Stoffwechselprodukte und deren Konzentration im K?rper nachgewiesen werden k?nnen. Da Krebszellen andere Metabolisierungsraten als gesunde Zellen haben, gibt die Konzentration direkten Aufschluss ¨¹ber den Zustand des Gewebes unabh?ngig von der Gr?sse eines Tumors. C-13 MRT hat allerdings eine viel tiefere Sensitivit?t als klassische MRT. Daher m¨¹ssen die Metaboliten polarisiert sein, damit sie detektiert werden k?nnen. Heutzutage beruhen die Methoden zur Polarisation auf Radikalen in L?sung, welche nicht in den K?rper gelangen sollten und somit vor der MRT wieder entfernt werden. Diese Separation dauert eine gewisse Zeit. Da die Polarisation schon nach wenigen Sekunden zerf?llt, verliert man im Endeffekt wertvolle Aufl?sung in den Bildern.
Unsere Materialien hingegen k?nnen einfach und schnell mittels Filtration von der polarisierten L?sung entfernt werden. Somit sind wir in der Lage, Spektren der hyperpolarisierten L?sung aufzunehmen. Wir hoffen, unser Material tr?gt dazu bei, dass C-13 MRT zu einer Standard-Methode wird.

Wie funktionieren die HYPSOs?
Die Porenkan?le werden mit einer L?sung eines bestimmten Molek¨¹ls gef¨¹llt, in unserem Falle Pyruvat. Dies ist physiologisch relevant, weil Pyruvat in Krebszellen sehr schnell zu Laktat abgebaut wird. ?Polarisiert? wird das Kohlenstoffisotop C-13, ein nicht radioaktives Isotop, das in allen lebenden Geweben und in Stoffwechselprodukten nat¨¹rlicherweise vorhanden ist. Nach der Polarisation bei tiefer Temperatur wird alles aufgetaut, die L?sung wegfiltriert und kann dann in C-13 MRT detektiert werden.

Was war Ihr Beitrag an der ETH Z¨¹rich zu dieser Studie?
Meine Gruppe an der ETH Z¨¹rich hat die HYPSOs zusammen mit CPE Lyon entwickelt. Die Hauptschwierigkeit dabei war, die Kontrolle ¨¹ber die Verteilung der Radikale entlang der Poren des hochpor?sen Silikates zu erlangen. Eine gleichm?ssige Verteilung der Radikale ist f¨¹r unsere Anwendung unerl?sslich und beruht auf der Zusammenarbeit von Chemikern und Materialwissenschaftlern. An der EPF Lausanne bauten Forscher die Instrumente f¨¹r diese Technik und die ENS Lyon koordinierte das Projekt.

Wer hatte die Idee, Silikatpulver als Polarisationsmittel zu verwenden?
Wir arbeiten schon eine Weile mit solchen Materialien und verwenden sie f¨¹r die Entwicklung von heterogenen Katalysatoren. Durch dieses Projekt haben wir nun gelernt, die Verteilung der aktiven Zentren auf der Oberfl?che zu kontrollieren. Gleichzeitig haben wir k¨¹rzlich eine neue Technik entwickelt, um mit magnetischer Kernresonanz (NMR) die Oberfl?che von solchen Materialien zu charakterisieren (Surface Enhanced NMR Spectroscopy - SENS). Dabei benutzen wir jeweils eine L?sung von organischen Radikalen, um die Oberfl?che zu polarisieren. Wir haben uns gefragt, ob wir den Spiess auch umdrehen k?nnen, um mit einem Festk?rper eine L?sung zu polarisieren.

Wie lange hat die Entwicklung des Materials und der Anwendung gedauert?
Nicht einmal zwei Jahre, da wir dank unserer Forschung an den Katalysatoren gut auf diese Fragestellung vorbereitet waren. Wir mussten ?lediglich? unsere Methode anpassen und nat¨¹rlich auch diverse Materialien testen. Schlussendlich k?nnen wir erkl?ren, welche Materialien am besten auf den Ger?ten der EPFL funktionieren.

Was sind die n?chsten Schritte in diesem Projekt?
Bis jetzt haben wir gezeigt, dass unsere Materialien funktionieren und wollen das Verfahren ganz klar f¨¹r den Einsatz in MRT weiterentwickeln. Momentan untersuchen wir neue Arten von HYPSOs, die eine noch h?here Polarisation m?glich machen.

Wann werden HYPSOs in der Medizin verf¨¹gbar sein?
Auch daran arbeiten wir derzeit. Ich hoffe es gelingt uns, HYPSOs in den kommenden Jahren in die Klinik zu bringen.

Zur Person
Christophe Cop¨¦ret ist seit November 2010 ordentlicher Professor f¨¹r Anorganische Chemie am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften (D-CHAB) der ETH Z¨¹rich. Sein Interesse gilt der Molek¨¹l-, Material- und Oberfl?chenchemie mit dem Ziel, funktionale Materialien f¨¹r den Einsatz in der Katalyse, der molekularen Erkennung, der Bildgebung und der Mikroelektronik zu entwickeln.