Hyperpolariseret proton -MR bruges til at observere metaboliske processer i realtid

Magnetic resonance imaging (MRI) bruges allerede i vid udstrækning inden for medicin til diagnostiske formål. Hyperpolariseret MR er en nyere udvikling, og dens forskning og anvendelsespotentiale er endnu ikke fuldt ud undersøgt. Forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu afsløret en ny teknik til at observere metaboliske processer i kroppen. Deres singlet-kontrast MRI-metode anvender letproduceret parahydrogen til at spore biokemiske processer i realtid. Resultaterne af deres arbejde er blevet offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition og valgt af redaktionen som et "hot paper", dvs. en vigtig publikation i et hurtigt udviklende og meget betydningsfuldt område.

I løbet af de sidste årtier har det er blevet standard praksis at bruge MR til medicinske undersøgelser. Det kan bruges til at undersøge bløde væv i kroppen, såsom hjernen, intervertebrale diske, og endda dannelsen af ​​tumorer. "MR -billeder kan vise os hjernens struktur, for eksempel, men de fortæller os intet om de biomolekylære processer, der forekommer i kroppen, dels på grund af den dårlige følsomhed af MR, "sagde Dr. James Eills, første forfatter af undersøgelsen og medlem af arbejdsgruppen ledet af professor Dmitry Budker ved JGU og HIM.

Brug af hydrogenatomer i stedet for kulstof- eller nitrogenisotoper

En måde at forbedre MR -signaler betydeligt på er hyperpolarisering. Dette opnår en betydelig justering af de signalgenererende nukleare spins ved hjælp af et eksternt magnetfelt. Hyperpolarisationsforbedret MR bruges allerede til at studere biomolekylære processer i kroppen; desværre, anvendelsen af ​​carbonisotop C-13 eller nitrogenisotopen N-15 er forbundet med visse ulemper. "Det ville således være en stor fordel, hvis vi kunne bruge brintatomer direkte. Brint har større følsomhed, er mere rigelig, og detektionsudstyret er let tilgængeligt, "sagde Eills. En ulempe ved brint, imidlertid, er dens hurtige afslapningstid. Det betyder, at de hyperpolariserede atomer vender tilbage til deres oprindelige tilstand så hurtigt, at det er svært at generere billeder.

Dr. James Eills og hans kolleger tacklede dette problem ved at bruge en særlig kvantetilstand af brintkerner kaldet en singlet -tilstand, som stammer fra såkaldt parahydrogen. "Det betyder, at vi var i stand til at overvinde ulemperne ved hyperpolariseret protonbilleddannelse, især dem, der vedrører den korte afslapningstid, "forklarede Eills. Mens brint normalt har en afslapningstid på et par sekunder, dette kan være minutter i tilfælde af singlet -tilstande. Singlet-tilstanden er også ikke-magnetisk og kan derfor ikke observeres. Det kan kun observeres, når molekylet ikke længere er symmetrisk.

Når fumarat anvendes, metabolisme udløser hyperpolarisering

I den undersøgelse, der diskuteres, forskerne beskriver deres teknik til singlet-kontrast MR ved hjælp af fumarat, et biomolekyle, der naturligt forekommer som et mellemprodukt af metabolisme. Først, fumarat produceres fra et forstadiemolekyle og parahydrogen. Det hyperpolariserede fumarat omdannes til malat ved tilsætning af et tungt vandmolekyle. Denne omdannelse eliminerer molekylets symmetri, gør den magnetisk og påviselig. "Så kan vi bruge de tilhørende magnetiske signaler til billeddannelse, "Dr. James Eills påpegede.

Carbon-13-mærket fumarat er allerede et molekyle, der spiller en væsentlig rolle i hyperpolariseret billeddannelse. Dette arbejde åbner mulighed for at udføre fumarat-billeddannelse med alle fordelene ved at observere brint frem for cabon-13. I øvrigt, brug af parahydrogen ville også være fordelagtigt på grund af det faktum, at det let kan produceres:Hydrogengas afkøles simpelthen i nærvær af en katalysator, som derefter fjernes. Det resulterende parahydrogen kan derefter opvarmes og forbliver stabilt i para -tilstand i flere måneder.

"Hyperpolariseret MR er i de tidlige stadier af dets udvikling, og vores bidrag er en spændende ny MR -variant, "sluttede Eills. Det er muligt at optage billeder af det hyperpolariserede signal på forskellige tidspunkter, som muliggør sporing af metaboliske processer i realtid.

"Kombinationen af ​​parahydrogeninduceret polarisering med langlivede spin-tilstande og enzymatisk omdannelse bryder endelig døren til en omkostningseffektiv magnetisk resonansbilleddannelse af fumarat og lignende tumormarkører i kræftmetabolisme, "tilføjede professor Gerd Buntkowsky, leder af gruppen Physical Chemistry of Condensed Matter på TU Darmstadt og tilsvarende forfatter til værket.