Ny biosensor zymonsyre viser ændringer i pH -værdi

Tumorer, betændelse og kredsløbssygdomme lokalt forstyrrer kroppens syre-base balance. Disse ændringer i pH -værdien kan f.eks. Bruges til at kontrollere succesen med kræftbehandlinger. Indtil nu, imidlertid, der har ikke været nogen billeddannelsesmetode til at gøre sådanne ændringer synlige hos patienter. Nu har et team fra det tekniske universitet i München (TUM) udviklet en pH -sensor, der gør pH -værdier synlige gennem magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) - i en ikke -invasiv, strålefri måde.

Fire år siden, under et magnetisk resonansforsøg med tumorceller, TUM -fysikeren Dr. Franz Schilling fandt signaler fra et molekyle, der var meget følsomt over for pH -ændringer. Molekylet, som blev identificeret som zymonsyre i efterfølgende undersøgelser, kunne spille en vigtig rolle i fremtiden for medicinsk billeddannelse. Som biosensor for pH -værdier, den kunne give indsigt i kroppen, som tidligere havde været umulig.

"En passende pH -billeddannelsesmetode ville gøre det muligt at visualisere unormale ændringer i væv og specifikt metaboliske processer af tumorer, "forklarer Franz Schilling. Områder omkring tumorer og betændelser er normalt lidt mere sure end områder omkring sundt væv, et fænomen muligvis forbundet med tumors aggressivitet. Schilling ser yderligere potentielle anvendelser i behandlingsprognoser:"pH -værdier er også interessante, når det kommer til at evaluere effektiviteten af ​​tumorbehandlinger. Selv før en vellykket behandlet tumor begynder at skrumpe, dets metabolisme og dermed pH -værdien i det omkringliggende område kan ændre sig. En passende pH -billeddannelsesmetode ville på et meget tidligere tidspunkt indikere, om den rigtige tilgang er valgt eller ej. "

Schilling er nu direktør for arbejdsgruppen for præklinisk billeddannelse og medicinsk fysik på klinikken og Polyklinik for nuklearmedicin i TUM Klinikum rechts der Isar. I de sidste år, han er gået sammen med kolleger fra fysiske afdelinger, Kemi og medicin til forskning af zymonsyre som biosensor. I journalen Naturkommunikation teamet beskriver, hvordan det kan bruges til pålideligt at repræsentere pH -værdier i små dyrs kroppe.

MR-billeddannelse med tidsbegrænsninger

For at synliggøre pH -værdier ved hjælp af zymonsyre molekylet injiceres i kroppen, og derefter foretages en magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) af objektvævet. Meget forenklet:I et stærkt magnetfelt, radiobølger ophidser zymonsyrens nukleare spin til svingning. Kernernes reaktioner registreres derefter. Disse data bruges til at beregne frekvensspektre, der igen giver oplysninger om de kemiske egenskaber ved kernernes molekylære omgivelser. Ultimativt, pH-værdien på ethvert undersøgt sted i vævet kan repræsenteres baseret på pH-afhængige molekylære ændringer i zymonsyren.

Zymonsyre skal markeres med kulstof 13 for at være synlig i MR -billeder. Det betyder, at molekylerne indeholder carbon 13 -atomer (13C) i stedet for "normale" carbon -12 -atomer. Men zymonsyre markeret på denne måde er stadig ikke målbar:dens MR -signal er for svagt. "Vi bruger derfor en relativt ny metode, hyperpolarisering, "forklarer Stephan Düwel, fysiker og første forfatter til undersøgelsen. "Vi bruger en speciel enhed til at overføre polariseringen af ​​elektroner til 13C atomkerner ved hjælp af mikrobølger ved meget lave temperaturer, hvilket resulterer i et MR -signal op til 100, 000 gange stærkere. "En varm væske bruges derefter til hurtigt at returnere zymonsyren til stuetemperatur.

Efter dette, forskerne skal handle hurtigt. Biosensoren injiceres intravenøst ​​i organismen, derefter skal MR-scanningen foretages med det samme:Det tager kun 60 sekunder, før hyperpolariseringens signalforstærkende effekt forsvinder igen. "Vi arbejder i øjeblikket på at udvide dette tidsvindue, "siger Düwel." På den ene side, vi forsøger at forbedre zymonsyrens MR -egenskaber med passende modifikationer af molekylet; På den anden side, vi leder efter andre pH-følsomme molekyler, "forklarer biokemiker Christian Hundshammer, anden forfatter til undersøgelsen.

Fordele i forhold til andre tilgange

Franz Schilling og hans team er lykkedes med at vise, at deres metode er følsom nok til at repræsentere medicinsk relevante pH -værdier i organismen. Ved hjælp af zymonsyre er det endvidere muligt specifikt at undersøge pH -værdien uden for cellemembranen:Med andre biosensorer er det ofte ikke klart, om målte ændringer finder sted inden for eller uden for cellen (intracellulær eller ekstracellulær). Dette er vigtigt, fordi den intracellulære værdi normalt er stabil, mens ændringer i stofskiftet har en meget større indvirkning på den ekstracellulære værdi.

I modsætning til optiske metoder, som er begrænset til overfladisk indtrængning i kroppen på grund af den lave gennemsigtighed af væv, der er ingen begrænsninger for dybden af ​​penetration for MR. Det er endvidere blevet påvist, at zymonsyre ikke er toksisk i de koncentrationer, der anvendes med små dyr og også dannes i lave koncentrationer som et biprodukt af metabolitten pyruvinsyre, som er til stede i kroppen.

"Vi mener, at zymonsyre er en meget lovende biosensor til patientapplikationer, "siger Franz Schilling. Foreløbig, imidlertid, yderligere prækliniske undersøgelser er planlagt for at fastslå fordelene ved denne nye billeddannelsesbiomarkør sammenlignet med konventionelle metoder og for yderligere at forbedre den rumlige opløsning af pH-billeddannelse.