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Translationale Molekulare Bildgebung

  • Bildgebung und Radioonkologie
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Prof. Dr. Leif Schröder

Abteilungsleitung Translationale Molekulare Bildgebung

Die Forschung der Abteilung Translationale Molekulare Bildgebung konzentriert sich auf die Entwicklung und Charakterisierung zielgerichteter Kontrastmittel im Kontext neuartiger Detektionstechniken für diagnostische Anwendungen in der Onkologie. Wir wollen wichtige molekulare Veränderungen beim Auftreten und Fortschreiten von Krebs frühzeitig sichtbar machen und profitieren dabei von der starken interdisziplinären Tradition der Magnetresonanz am Standort Heidelberg.

Unsere Forschung

Zu diesem Zweck verfolgen wir den Ansatz, aktuelle naturwissenschaftliche Konzepte in die Diagnostik zu übertragen. Hierzu zählen neuartige Magnetresonanz-Verfahren wie Spin-Hyperpolarisation und Sättigungstransfer in Austausch-gekoppelten Spinsystemen. Wir untersuchen auch biowissenschaftliche Aspekte etablierter Kontrastmittel im Hinblick auf ihre langfristige Stabilität und erweitern das Verständnis ihres biochemischen Verhaltens.

Die Abteilung nahm nach Gründung mit Unterstützung durch die Dieter Morszeck Stiftung ihre Arbeit im Frühjahr 2023 in der neu bezogenen Joint NMR Facility (gemeinschaftlich betrieben mit der Abteilung Wirkstoffforschung) auf und hat durch ihre Ausrichtung eine starke Anbindung an die Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Heidelberg. Die von uns entwickelten Techniken finden auch in verschiedenen explorativen Studien mit internationalen Kooperationspartnern Anwendung. Der in unserem Labor verfolgte Paradigmenwechsel zielt darauf ab, die Vorteile der nicht-invasiven Bildgebung wie MRT mit der hohen Empfindlichkeit und Spezifität funktionalisierter Reporter zu kombinieren. Dies ist ein entscheidender Baustein der Früherkennung und Therapiekontrolle und wird schließlich die Lücke zwischen nuklearmedizinischen Modalitäten wie PET / SPECT und MRT schließen, ohne ionisierende Strahlung zu verwenden oder Kompromisse bei der Eindringtiefe wie bei optischen Methoden einzugehen. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, die geringe Sensitivität der konventionellen MRT auf molekulare Ebene fundamental neu zu adressieren und so bislang nicht darstellbare molekulare Marker und Prozesse im MRT sichtbar zu machen.

Spin-Physik für ultra-sensitive MR-Bildgebung

Neue Ansätze für eine bessere Diagnostik

Die konventionelle Magnetresonanz-Tomographie (MRT) ist relativ unempfindlich und stellt deswegen meist nur die Signale von Fett- und Wasser-Molekülen dar. Sie hat aber den Vorteil, ohne ionisierende Strahlung auszukommen und tieferliegendes Gewebe mit exzellentem Weichteilkontrast darzustellen. Bislang werden Tumoren aber oft erst entdeckt, wenn sie eine gewisse Größe überschreiten und schon Milliarden Zellen enthalten. Die Kombination mit Kontrastmitteln, die biochemische Veränderungen wie den Stoffwechsel des Tumors oder zelluläre Marker schon viel früher visualisieren, ist deswegen ein seit langem verfolgtes Ziel in der MRT-Forschung.

Zentraler Bestandteil ist dabei, die Sensitivität der MRT zu steigern. Die Translation aus der Physik setzt hierbei dort an, wo sich die quantenmechanischen Eigenschaften der Kernspins ausnutzen lassen, um eine verstärkte Magnetisierung für ein 10.000-fach erhöhtes Signal zu bekommen. In Verbindung mit Verfahren der molekularen Biotechnologie integrieren wir diese Spin-Systeme in Reporter, die auf Krebs-spezifische Marker gerichtet sind. Unsere Verfahren beruhen insbesondere auf dem harmlosen Edelgas Xenon, das mit starken Lasern in einen Zustand extrem hoher Magnetisierung versetzt werden kann.So konnte durch die von uns entwickelten Methoden u.a. die Hyperpolarisation von Xenon für diese Anwendungen bereits um einen Faktor 15 gesteigert und die Detektionsgrenze insgesamt um einen Faktor 100.000 gesenkt werden. Unsere Verfahren können Zielmoleküle in Bildern nach 100 s darstellen, wo konventionelle MRT sonst 1100 Jahre brauchen würde.

Da die Spin-Systeme im lebenden Gewebe den vorab präparierten Zustand nur für eine begrenzte Zeit beibehalten, ist es auch von zentraler Bedeutung, die physikalischen Grundlagen dieser Prozesse zu verstehen und die Reporter weiter zu optimieren. Entscheidend ist ein Paradigmenwechsel in der Erzeugung, Anlieferung und Kodierung von Spin-Magnetisierung, um diese für neue diagnostische Methoden zu nutzen. 

Links & Downloads

Ausgewählte Projekte

Mizelle mit zellpenetrierenden Peptiden und Xenon-Wirten

Koselleck-Projekt Multivalente Wirtsstrukturen

Die Adressierung von Ziel-Molekülen durch molekulare Einheiten, die dann als Reporter erst nach Bindung an/in Zellen in einem zweiten Schritt mit hyperpolarisierten Atomen in situ vereint werden, erweitert das Anwendungsspektrum der hyperpolarisierten MRT enorm. In diesem interdisziplinären Projekt, das im Rahmen des hochdotierten Koselleck-Programms der DFG finanziert wird, werden neuartige Nanocarrier entwickelt, die im Gewebe eine große Anzahl von hyperpolarisierten Atomen aufnehmen können. Mehr Info

Team

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    Prof. Dr. Leif Schröder

    Abteilungsleitung Translationale Molekulare Bildgebung

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    Sandra Casula

    Administrative Assistant for Divisions E041, E270 and E280

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    Viktoria Bayer

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    Clark Bray

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    Hannah Gerbeth

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    David Hernandez Solarte

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    Dr. Jabadurai Jayapaul

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    Luca Kempny

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    Dr. Alexandra Lipka

    Wissenschaftlerin

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    Chun Yat Lee

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    Samuel Lehr

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    Sophia Seufert

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    Dr. Patrick Werner

    Postdoc Biologie

Gesamtes Team

Ausgewählte Publikationen

2022 - NMR Biomed. 36(6): e4714

(highlighted as cover article) Jost JO, Schröder L

2022 - Nat. Commun. 13(1): 1708

Jayapaul J, Komulainen S, Zhivonitko VV, Mareš J, Giri C, Rissanen K, Lantto P, Telkki V-V, Schröder L:

2021 - Scientific Reports, 11: 21731

Werner P, Taupitz M, Schröder L, Schünke P

2020 - Chem. Sci., 12(1): 158-169

(highlighted as cover article) Kunth M, Schröder L

2006 - Science 314 (5798): p. 446–449

Schröder L, Lowery TJ, Hilty C, Wemmer DE, Pines A

Alle Publikationen

Methoden

Mikro-MRT einer neugeborenen Maus (Kopf; 50 µm Auflösung)

MRT-Experimente werden auf einem 400-MHz-Extra-Wide-Bore-NMR-Magneten mit einer Avance Neo Konsole durchgeführt. Das Gradientensystem ist in der Lage, Amplituden von 150 G/cm zu erreichen. Verschiedene Spulen zur Protonen- und X-Kern-Detektion stehen zur Verfügung. Mehr Info

Lehre und Ab­schluss­ar­bei­ten

Wintersemester:
(geplant ab 2025: NMR Physics of Coupled Spin Systems)

Sommersemester:
● Medical Physics 2 (zusammen mit PD Dr. Kuder)
 

Gemeinsame Lehrveranstaltungen mit der Abteilung Medizinische Physik in der Radiologie

Exem­pla­ri­sche Ko­opera­tio­nen und Ver­bund­pro­jek­te

Weiterführende Links

Drittmittelförderung

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Administrative Assistant for Divisions E041, E270 and E280
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