NMR-Spektroskopie und CEST-Bildgebung

Metaboliten mit geringer Molekülmasse (z. B. Kreatin und Glukose), Proteine und andere makromolekulare Strukturen tragen an ihrer Oberfläche schwach gebundene Protonen (1H-Kerne), die mit Protonen in benachbarten Wassermolekülen austauschen können. Dieser Prozess, der als chemischer Austausch (CE) bezeichnet wird, findet spontan statt und hängt von der Konzentration, dem pH-Wert, der Temperatur und anderen Eigenschaften der Lösung ab.

Austauschende Protonen können im 1H-NMR-Spektrum bei unterschiedlichen Frequenzen („chemische Verschiebungen“) mitschwingen. Daher können sie selektiv markiert werden (z. B. durch resonante Hochfrequenzbestrahlung), um eine gleichmäßige Verteilung der beiden 1H-Spinzustände in einem Magnetfeld zu erreichen - diese Technik wird als Sättigung bezeichnet. Durch chemischen Austausch wird diese Information in den Wasserpool gepumpt. Die fortlaufende Bestrahlung akkumuliert die Sättigung im Wasserpool und erzeugt den CEST-Effekt (chemical exchange saturation transfer), d. h. eine nachweisbare Verringerung des NMR-Signals der Wasserprotonen. Der Verstärkungseffekt kann mehrere Größenordnungen ausmachen. Im Gegensatz zur konventionellen NMR-Spektroskopie (MRS), die das Signal fest gebundener, also unveränderlicher Kerne (1H, 13C, 19F, 31P...) erfasst, nutzt CEST das Wassersignal, um indirekt das Signal schwach gebundener Protonen in Biomolekülen zu erfassen.

Wenn CEST mit MR-Bildgebungsverfahren (MRI) kombiniert wird, können verschiedene Einheiten zellulärer Verbindungen - wie in der Abbildung dargestellt - in lebendem Gewebe (in vivo) mit einer mit der herkömmlichen MRT vergleichbaren Empfindlichkeit gescannt werden. Seit der Entdeckung des Phänomens im Jahr 2000 wurde die CEST-MRI für die diagnostische Bildgebung bei verschiedenen Krankheiten (z. B. Tumoren, Schlaganfall, neurodegenerative Erkrankungen) eingesetzt. Diese Studien ergaben neue Informationen über diese Krankheiten auf molekularer Ebene.

Das NMR-Signal in lebendem Gewebe ist im Wesentlichen durch die verfügbare thermische Polarisation von P ≈ 10-6 begrenzt. Außerhalb von Geweben können die Polarisationswerte jedoch mit Hilfe von Hyperpolarisationstechniken, z. B. der dynamischen Kernpolarisation (DNP), auf Werte von P ≈ 0,5 manipuliert werden, was zu einer enormen Verstärkung des NMR-Signals um etwa fünf Größenordnungen führt. Nach der Verabreichung von Substanzen, die hyperpolarisierte Spins tragen, kann das höchste NMR-Signal auch in lebendem Gewebe für die Lebensdauer der polarisierten Zustände (in der Größenordnung von Minuten) ausgewertet werden, was NMR-Anwendungen von bisher unerreichter Empfindlichkeit ermöglicht.

Eine solche Anwendung ist die metabolische MR unter Verwendung von hyperpolarisiertem 13C (siehe Abbildung): 13C-angereicherte, endogene Substrate (z. B. 1-13C-Pyruvat) werden hyperpolarisiert und anschließend in Lebewesen verabreicht, wo der zelluläre Stoffwechsel die hyperpolarisierten 13C-Kerne auf andere Substanzen „überträgt“. Infolgedessen werden auch die NMR-Signale nachgeschalteter Stoffwechselprodukte (z. B. 1-13C-Lactat) verstärkt und nachweisbar. Mit Hilfe dynamischer 13C-NMR-Techniken kann jeder hyperpolarisierte Metabolit anhand seiner individuellen 13C-Resonanzfrequenz (chemische Verschiebung) identifiziert werden, und die Verfolgung des zeitlichen Verlaufs der hyperpolarisierten Signale ermöglicht die Quantifizierung der enzymatischen Aktivität (z. B. der Lactat-Dehydrogenase) in Echtzeit.
Auf diese Weise können die Stoffwechselveränderungen von Krebsgeweben bewertet werden, z. B. die erhöhte Aktivität der Laktat-Dehydrogenase, die zu einem erhöhten Fluss von Pyruvat zu Laktat im Vergleich zu gesundem Gewebe führt. Um die Bewertung des Krebsstoffwechsels mittels hyperpolarisiertem 13C auch beim Menschen zu ermöglichen, etabliert unsere Forschungsgruppe derzeit diese Spitzentechnologie mit einem SPINlabTM DNP-System für die klinische Anwendung.