Die Bindung von Kalzium an einen neuen molekularen Sensor verändert die Frequenz mit der dieser im MRT schwingt, ähnlich wie ein Ton der auf einem Seiteninstrument erklingt. Quelle: Barth van Rossum, Grafik mit Genehmigung übernommen aus Mishra, A. et al.: Hyperpolarized Multi-Metal 13C‑Sensors for Magnetic Resonance Imaging. Analytical Chemistry, doi: 10.1021/acs.analchem.6b03039. Copyright 2016 American Chemical Society.Forscher am Helmholtz Zentrum München haben gemeinsam mit Kollegen der Technischen Universität... Wenn Ärzte und Wissenschaftler lebendes Gewebe untersuchen möchten ohne den Körper zu öffnen, machen sie Gebrauch von modernen Bildgebungsverfahren. Dabei ist die Eindringtiefe jedoch oft begrenzt, denn durch die starke Streuung von Licht verliert sich das Signal nach einer gewissen Distanz. Fortschritte bringen sowohl verbesserte Messgeräte als auch die entsprechenden Kontrastmittelsensoren, die biologische Prozesse in Signale übersetzen, die die Wissenschaftler auslesen können. Unter der Leitung von Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer hat ein Team um die Erstautoren Dr. Anurag Mishra und Dr. Giorgio Pariani am Helmholtz Zentrum München nun in den beiden Arbeiten zwei neue Kontrastmittelsensoren beschrieben. Sie sollen in Zukunft erlauben, Konzentrationsänderungen des zentralen Signalmoleküls Kalzium tief im Gewebe mittels Magnetresonanztomographie beziehungsweise Optoakustischer Bildgebung zu beobachten. Bei letzterer erwärmen Laserimpulse das Zielgewebe lokal, was zu dessen kurzzeitiger Ausdehnung führt und in der Folge Ultraschallsignale erzeugt. Diese erfassen die Wissenschaftler dann mit einem entsprechenden Detektoren und ‚übersetzen‘ sie in dreidimensionale Bilder – ganz ohne Strahlenbelastung. „Um aber Kalziummoleküle sichtbar zu machen, die etwa bei neuronaler Aktivität in das Nervenzellinnere strömen, bedurfte es eines Tricks“, erklärt Studienleiter Westmeyer. „Wir konnten ein Molekül entwickeln, was gezielt an Kalziumionen bindet und dabei seine Farbe – sein Absorptionssprektrum - ändert“, so der Wissenschaftler weiter. „Mit diesem Molekül bekommen wir also immer dann eine Signaländerung auf dem Bildschirm, wenn sich die Kalziumkonzentration verschiebt.“ Auch ihr zweites Molekül betrachten die Wissenschaftler als vielversprechend: Dabei handelt es sich ebenfalls um einen Bindungspartner für Metallionen, Struktur und Einsatzmöglichkeiten sind aber andere. „Für diesen Ansatz verwenden wir ein etwas aufwändigeres Verfahren“, erläutert Studienleiter Westmeyer. „Das Molekül, das wir verwenden, ist mit C13-Kohlenstoffatomen markiert und wird vor der Anwendung zusätzlich hyperpolarisiert.“ Mit diesem Begriff bezeichnet der Mediziner ein Verfahren, das verwendet wird, um den Kernspin von Atomen zu synchronisieren, was letztlich zu besonders starken Signalen im Magnetresonanztomographen (MRT) führt. Die Bindung von Kalzium an das hyperpolarisierte Molekül verändert die Frequenz mit der dieses im MRT schwingt, ähnlich wie ein Ton der auf einem Seiteninstrument erklingt. Zink, ein weiteres biomedizinisch wichtiges Metallion, das zum Beispiel zusammen mit Insulin ausgeschüttet wird, erzeugt einen anderen Ton. „Durch die Hyperpolarisation des neuen Kontrastmittelsensors sind wir in der Lage, die Sichtbarkeit von Kalzium und ähnlichen Ionen um den Faktor zehn bis hundert zu erhöhen“, beschreibt Westmeyer die Verbesserung. „Mögliche Anwendungsfelder sehen wir unter anderem in der kardiovaskulären und neurowissenschaftlichen Forschung.“
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Hintergrund:Professor Westmeyer ist beim Helmholtz Zentrum München sowohl an das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung als auch an das Institut für Entwicklungsgenetik angeschlossen und gleichzeitig Professor für molekular Bildgebung an der Technischen Universität München. Beide Projekte wurden durch die Helmholtz Alliance ICEMED (Imaging and Curing Environmental Metabolic Diseases) finanziert. Original-Publikationen:
Mishra, A. et al. (2016): Hyperpolarized Multi-Metal 13C‑Sensors for Magnetic Resonance Imaging. Analytical Chemistry, doi: 10.1021/acs.analchem.6b03039 Mishra, A. et al. (2016): Near-Infrared Photoacoustic Imaging Probe Responsive to Calcium. Analytical Chemistry, doi: 10.1021/acs.analchem.6b03546 Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. Das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) erforscht In-vivo-Bildgebungstechnologien für die Biowissenschaften. Es entwickelt Systeme, Theorien und Methoden zur Bildgebung und Bildrekonstruktion sowie Tiermodelle zur Überprüfung neuer Technologien auf der biologischen, vorklinischen und klinischen Ebene. Ziel ist es, innovative Werkzeuge für das biomedizinische Labor, zur Diagnose und dem Therapiemonitoring von humanen Erkrankungen bereit zu stellen. Durch eine steigende Lebenserwartung nehmen sowohl altersbedingte, als auch soziologische und umweltbedingte Einflüsse auf die Gene zu. Diese Veränderungen des genetischen Materials untersucht das Institut für Entwicklungsgenetik (IDG). Im Forschungsbereich Mouse Genetics werden genetische Tiermodelle zur Erforschung verschiedener Erkrankungen entwickelt. Diese Modelle werden im Disease Modelling analysiert um Genfunktionen und Zellprozesse zu identifizieren und den Einfluss von Umwelt und Alterungsprozessen zu bewerten. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Untersuchung neurologischer und psychiatrischer Krankheiten. Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 40.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert die TU München von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.