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© Barth van Rossum / FMP
Molekulare Käfige zum temporären Einfangen von Xenon-Atomen weisen sehr unterschiedliche Austauschraten für das hyperpolarisierte Edelgas auf. Das kürbisförmige Cucurbituril (rechts) ermöglicht eine wesentlich bessere NMR-Signalverstärkung durch schnelleren Austausch als das bisher verwendete Cryptophan-A (links) © Barth van Rossum / FMP

Xenon-MRT: Kontrastmittel spürt krankhafte Zellen auf

Angenommen man könnte krankhafte Prozesse wie Krebs schon ganz früh sichtbar machen und dazu noch die Zelltypen unterscheiden, wäre das ein großer Schritt für die personalisierte Medizin. Die Xenon-MRT hat das Potenzial dazu. Forscher am FMP haben mit dem kürbisförmigen Cucurbituril ein Molekül entdeckt, das mit dem Edelgas Xenon ganz besonders guten Bildkontrast erlaubt – etwa 100mal besser als bislang möglich.

Dieser Fund ist wegweisend, um neue Kontrastmittel auf die verschiedensten Zelltypen hin maßzuschneidern und könnte die molekulare Diagnostik künftig auch ohne Gewebeproben möglich machen. Personalisierte Medizin statt eine Behandlung für alle – dieser Ansatz hat insbesondere in der Krebsmedizin zu einem Paradigmenwechsel geführt.

Die Molekulare Diagnostik ist jener Schlüssel, um Patienten den Zugang zu einer maßgeschneiderten Therapie zu öffnen. Wenn jedoch Tumore in schwer zugänglichen Körperbereichen liegen oder bereits mehrere Tumorherde vorhanden sind, scheitert es oft an ausreichender Empfindlichkeit der diagnostischen Bildgebung.

Die aber wird benötigt, um die verschiedenen Zelltypen bestimmen zu können, die sich selbst innerhalb eines Tumors erheblich unterscheiden. Mit dem PET-CT können heute zwar schon kleinste Tumorherde und andere krankhafte Veränderungen aufgespürt werden, eine Differenzierung nach Zelltyp ist jedoch für gewöhnlich nicht möglich.

Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) setzen deshalb auf die Xenon-Magnetresonanztomographie: Die Weiterentwicklung der herkömmlichen Kernspintomographie macht sich die „Leuchtkraft“ des Edelgases Xenon zu Nutze, das in der MRT ein 10.000-fach verstärktes Signal liefern kann.

Dazu muss es im erkrankten Gewebe von sogenannten „Käfig-Molekülen“ vorübergehend eingefangen werden. Mit bisher verwendeten Molekülen gelingt das mehr oder weniger gut, von einer medizinischen Anwendung ist der experimentelle Ansatz jedoch noch weit entfernt.

Cucurbituril liefert verblüffende Bildkontraste

Die Arbeitsgruppe von Dr. Leif Schröder am Forscher am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) hat nun ein Molekül entdeckt, das alle bisher verwendeten Moleküle in den Schatten stellt. Cucurbituril tauscht etwa 100mal mehr Xenon pro Zeiteinheit aus als seine Mitstreiter, was zu einem wesentlich besseren Bildkontrast führt.

„Es war schnell klar, dass sich Cucurbituril als Kontrastmittel eignen könnte“, berichtet Leif Schröder. „Überraschend war jedoch, dass damit markierte Bereiche in den Bildern mit viel besserem Kontrast dargestellt werden als bisher.“

Die Erklärung liegt in der Geschwindigkeit. Cucurbituril reagiert sozusagen bei der Belichtung schneller als alle bisher verwendeten Moleküle, da es das Xenon nur sehr kurz bindet und somit die Radiowellen zum Nachweis des Edelgases innerhalb einem Bruchteil von Sekunden auf sehr viele Xenon-Atome überträgt.

Dadurch wird das Edelgas sehr viel effizienter durch das Molekül geschleust. In der Studie sind weltweit zum ersten Mal MRT-Aufnahmen mit Cucurbituril gelungen. Mit Hilfe eines starken Lasers und eines verdampften Alkalimetalls haben die Forscher die magnetischen Eigenschaften von gewöhnlichem Xenon zunächst enorm verstärkt.

Das hyperpolarisierte Gas wurde dann in eine Testlösung mit den Käfig-Molekülen eingeleitet. Eine anschließende MRT-Aufnahme zeigte die Verteilung des Xenons im Objekt. In einer zweiten Aufnahme zerstörte das Curcurbituril zusammen mit Radiowellen die Magnetisierung des Xenons vorab, wodurch dunkle Flecken auf den Bildern entstanden.

„Der Vergleich beider Aufnahmen belegt, dass nur das Xenon in den Käfigen die richtige Resonanzfrequenz hat, um einen dunklen Bereich zu erzeugen“, erklärt Schröder. „Diese Schwärzung ist mit Cucurbituril viel besser möglich als mit bisherigen Käfig-Molekülen, denn es arbeitet wie ein sehr lichtempfindliches Fotopapier. Der Kontrast ist etwa 100mal stärker.“

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