04.12.2018

Schärfer sehen bei der MRT

Elastische Gas-Vesikel binden Xenon als Kontrastmittel.

Forscher vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharma­kologie (FMP) haben einen neuen Weg gefunden, in der Magnet­resonanz-Tomo­grafie (MRT) qualitativ hoch­wertige Bilder zu gewinnen. Dabei wird viel weniger Kontrast­mittel benötigt als heut­zutage üblich. Möglich macht dies der Einsatz einer „elastischen“ Protein­struktur, die gelöstes Xenon selbst­regulierend aufnehmen kann: Je mehr dieses Edel­gases zur Bild­gebung eingesetzt wird, umso besser ist die Qualität der Aufnahme, ohne dass man wie sonst die Menge des eingesetzten Kontrast­mittels anpassen müsste.

Abb.: Eine neue Art von MRT-Kontrast­mittel füllt sich selber mit Xenon nach dem idealen Gas­gesetz und sorgt so für verbesserten Kontrast. (Bild: B. van Rossum)

Die Magnetresonanz-Tomographie (MRT) ist eine unverzicht­bare Methode, um Krank­heiten zu diagnostizieren und Therapie­verläufe zu überwachen. Sie erzeugt Schnitt­bilder des menschlichen Körpers, ohne schädigende Strahlung zu benutzen. Dabei werden typischer­weise die Wasser­moleküle des Gewebes einem starken Magnet­feld ausgesetzt. Aller­dings ist die MRT sehr unempfindlich und braucht eine hohe Konzentration an Molekülen, um ein verwert­bares Signal zu erhalten. Zur Verbesserung der Diagnostik werden oft Kontrast­mittel eingesetzt, um bestimmte Veränderungen wie etwa Tumoren besser auf­spüren zu können. Doch auch durch diese Kontrast­mittel lässt sich die Empfindlichkeit der MRT nicht wesentlich steigern, und viele aus der Zell­biologie bekannte Marker können in der Bild­gebung nicht aufgespürt werden.

Zudem wird über die Sicherheit bestimmter Kontrast­mittel, die das Element Gadolinium enthalten, aktuell zunehmend diskutiert. „Wir brauchen neue, ver­besserte Verfahren, bei denen möglichst wenig Kontrast­mittel möglichst viel der Signal-gebenden Substanz – das ist typischer­weise Wasser – beeinflusst“, sagt FMP-Forscher Leif Schröder. Ihm und seinem Team ist dabei jetzt ein wichtiger Durch­bruch gelungen.

Die Forscher arbeiten seit einiger Zeit daran, Kontrast­mittel basierend auf dem harm­losen Edel­gas Xenon zu entwickeln. Die Gruppe benutzt hierzu ein Verfahren mit starken Lasern, bei dem das Xenon künstlich magnetisiert wird und dann bereits in geringen Mengen mess­bare Signale erzeugt. Um nun bestimmte zelluläre Krankheits­marker aufzuspüren, muss das Xenon kurz­zeitig an diese gebunden werden. In einer durch das Human Frontiers Science Program (HFSP) geförderten Kooperation mit Wissen­schaftlern des California Institute of Technology (Caltech) hat das Team um Leif Schröder nun eine neue Klasse von Kontrast­mitteln erforscht, die das Xenon reversibel binden.

Hierbei handelt es sich um hohle Protein­strukturen, die von bestimmten Bakterien hergestellt werden, um damit ihre Schwebe­tiefe im Wasser zu regulieren – ähnlich einer miniaturisierten Schwimm­blase bei Fischen auf der Nano­meter-Skala. Die Forschungs­gruppe um Mikhail Shapiro am Caltech hatte diese Gas-Vesikel vor einiger Zeit als MR-Kontrast­mittel eingeführt. Aller­dings war bislang nicht bekannt, wie gut sie mit Xenon „beladen“ werden können.

In der neuen Studie beschreiben beide Gruppen nun, dass diese Vesikel ein ideales Kontrast­mittel sind: Sie können ihren Einfluss auf das gemessene Xenon „elastisch“ anpassen. „Die Protein­strukturen weisen eine poröse Wand­struktur auf, durch die das Xenon ein- und aus­strömen kann. Dabei nehmen die Gas-Vesikel im Gegensatz zu herkömmlichen Kontrast­mitteln stets einen festen Anteil des Xenons auf, das in der Umgebung bereit­gestellt wird, also auch größere Mengen“, berichtet Schröder. Diese Eigen­schaft lässt sich in der MRT-Diagnostik zunutze machen, denn um bessere Bilder zu bekommen, muss man mehr Xenon einsetzen. Bei einem herkömmlichen Kontrast­mittel müsste man auch dessen Konzentration anpassen, um weiterhin eine Signal­veränderung für alle Xenon-Atome zu erreichen.

Die Gas-Vesikel hingegen füllen sich automatisch mit mehr Xenon, wenn dieses in der Umgebung angeboten wird. „Sie fungieren wie eine Art Ballon, an dem außen eine Pumpe hängt. Wird der Ballon ‚auf­gepumpt‘, indem Xenon-Atome in das Gas-Vesikel einströmen, ändert sich seine Größe nicht, aber der Druck steigt – ähnlich wie bei einem Fahrrad­schlauch“, erläutert Schröder.

Dadurch, dass viel mehr Xenon in die Vesikel hinein­passt als bei herkömmlichen Kontrast­mitteln, können die Xenon-Atome anschließend – wenn sie wieder hinaus­geströmt sind und ein verändertes Signal auf­weisen – auch viel besser aus­gelesen werden. So wird der Bild­kontrast gegenüber dem Hinter­grund­rauschen um ein Viel­faches besser, die Qualität der Auf­nahme steigert sich deutlich. Diese Kontrast­mittel lassen sich deshalb auch zur Sicht­bar­machung von Krankheits­markern einsetzen, die in verhältnis­mäßig geringen Konzentrationen vorkommen.

Im weiteren Verlauf der Kooperation wollen die beiden Gruppen diese Kontrast­mittel in ersten Tier­studien testen. Das neu entdeckte Verhalten wird dabei ein entscheidender Vorteil sein, um diese sehr sensitiven Kontrast­mittel auch im lebenden Gewebe einzusetzen. Leif Schröder und sein Team konnten erste MRT-Aufnahmen mit Partikel-Konzentrationen durchführen, die eine Million Mal geringer ist als die von aktuell üblichen Kontrast­mitteln.

FMP / DE

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