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 Auflösung und Qualität der Bilder aufgrund der Komplexität des menschlichen Körpers diesen Technologien noch immer Grenzen. Eine Zusammenarbeit von Forschenden der ETH Zürich, der EPFL, des CNRS, der ENS Lyon, des CPE Lyon haben einen externe Seiteneuen Ansatzcall_made entwickelt, um die Möglichkeiten der medizinischen Bildgebung stark zu verbessern bei gleichzeitiger höherer Sicherheit für Patienten.

ETH News: Was muss man sich unter HYPSOs vorstellen?
Christophe Copéret: HYPSOs sind eine neue Generation von Materialien, um Moleküle in Lösungen 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 fünf und zehn Nanometer aufweist. Auf der Oberfläche des Silikats sind gleichmässig organische Radikale aufgebracht, die eigentliche Polarisationsquelle. Mit diesen Materialien haben wir Metaboliten, welche wichtig für 13-C Magnetresonanztomographie sind, polarisiert.

Welche Vorteile hat das neue Verfahren?
Bei «klassischer» MRT, wie sie heute standardmässig angewendet wird, kommt das Signal von den Protonen im Wasser. Dies hat eine gute Sensitivität zur Folge, aber der Informationsgehalt ist nicht sehr hoch. So müssen beispielsweise Tumore relativ gross sein, damit sie mittels klassischer MRT erkannt werden. Gewisse Tumore, die ihre Grösse nicht ändern, werden so aber leider viel zu spät erkannt. Der Vorteil von C-13 MRT gegenüber einer klassischen MRT ist, dass damit Stoffwechselprodukte und deren Konzentration im Körper nachgewiesen werden können. Da Krebszellen andere Metabolisierungsraten als gesunde Zellen haben, gibt die Konzentration direkten Aufschluss über den Zustand des Gewebes unabhängig von der Grösse eines Tumors. C-13 MRT hat allerdings eine viel tiefere Sensitivität als klassische MRT. Daher müssen die Metaboliten polarisiert sein, damit sie detektiert werden können. Heutzutage beruhen die Methoden zur Polarisation auf Radikalen in Lösung, welche nicht in den Körper gelangen sollten und somit vor der MRT wieder entfernt werden. Diese Separation dauert eine gewisse Zeit. Da die Polarisation schon nach wenigen Sekunden zerfällt, verliert man im Endeffekt wertvolle Auflösung in den Bildern.
Unsere Materialien hingegen können einfach und schnell mittels Filtration von der polarisierten Lösung entfernt werden. Somit sind wir in der Lage, Spektren der hyperpolarisierten Lösung aufzunehmen. Wir hoffen, unser Material trägt dazu bei, dass C-13 MRT zu einer Standard-Methode wird.

Wie funktionieren die HYPSOs?
Die Porenkanäle werden mit einer Lösung eines bestimmten Moleküls gefüllt, 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 natürlicherweise vorhanden ist. Nach der Polarisation bei tiefer Temperatur wird alles aufgetaut, die Lösung wegfiltriert und kann dann in C-13 MRT detektiert werden.

Was war Ihr Beitrag an der ETH Zürich zu dieser Studie?
Meine Gruppe an der ETH Zürich hat die HYPSOs zusammen mit CPE Lyon entwickelt. Die Hauptschwierigkeit dabei war, die Kontrolle über die Verteilung der Radikale entlang der Poren des hochporösen Silikates zu erlangen. Eine gleichmässige Verteilung der Radikale ist für unsere Anwendung unerlässlich und beruht auf der Zusammenarbeit von Chemikern und Materialwissenschaftlern. An der EPF Lausanne bauten Forscher die Instrumente für 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 für die Entwicklung von heterogenen Katalysatoren. Durch dieses Projekt haben wir nun gelernt, die Verteilung der aktiven Zentren auf der Oberfläche zu kontrollieren. Gleichzeitig haben wir kürzlich eine neue Technik entwickelt, um mit magnetischer Kernresonanz (NMR) die Oberfläche von solchen Materialien zu charakterisieren (Surface Enhanced NMR Spectroscopy - SENS). Dabei benutzen wir jeweils eine Lösung von organischen Radikalen, um die Oberfläche zu polarisieren. Wir haben uns gefragt, ob wir den Spiess auch umdrehen können, um mit einem Festkörper eine Lösung 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 natürlich auch diverse Materialien testen. Schlussendlich können wir erklären, welche Materialien am besten auf den Geräten der EPFL funktionieren.

Was sind die nächsten Schritte in diesem Projekt?
Bis jetzt haben wir gezeigt, dass unsere Materialien funktionieren und wollen das Verfahren ganz klar für den Einsatz in MRT weiterentwickeln. Momentan untersuchen wir neue Arten von HYPSOs, die eine noch höhere Polarisation möglich machen.

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

Zur Person
Christophe Copéret ist seit November 2010 ordentlicher Professor für Anorganische Chemie am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften (D-CHAB) der ETH Zürich. Sein Interesse gilt der Molekül-, Material- und Oberflächenchemie mit dem Ziel, funktionale Materialien für den Einsatz in der Katalyse, der molekularen Erkennung, der Bildgebung und der Mikroelektronik zu entwickeln.