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 Wasser-Moleküle des Gewebes einem starken Magnetfeld ausgesetzt.
Empfindlichkeit des MRT ist ein Knackpunkt
Allerdings ist die MRT sehr unempfindlich und braucht eine hohe Konzentration an Molekülen, um ein verwertbares Signal aufzunehmen. Zur Verbesserung der Diagnostik werden oft Kontrastmittel eingesetzt, um bestimmte Veränderungen wie etwa Tumore deutlicher aufspüren zu können. Doch auch durch diese Kontrastmittel lässt sich die Empfindlichkeit der MRT nicht wesentlich steigern. Zudem wird über die Sicherheit bestimmter Kontrastmittel, die das Element Gadolinium enthalten, aktuell zunehmend diskutiert.
Forscher des Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) arbeiten daher daran, Kontrastmittel basierend auf dem 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 Dr. Leif Schröder eine neue Klasse von Kontrastmitteln erforscht, die Xenon reversibel binden.
Funktionsweise ähnlich wie Ballon
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, aber auf der Nanometer-Skala. Als Kontrastmittel können sie ihren Einfluss auf das gemessene Xenon „elastisch“ anpassen: Um bessere Bilder beim MRT zu erhalten, 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 Dr. Leif Schröder.
Eine Million Mal geringere Konzentration
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. Dr. 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.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04222
