Hyperpolarisations-MRT

Die Grundlage der MRT ist die Kernspinresonanz, die auf der magnetischen Eigenschaft von Atomkernen beruht. Bei Hyperpolarisationsmethoden wird eine zusätzliche Polarisation zugeführt, indem die Spins von Protonen oder anderen Kernen in eine hochgeordnete Ausrichtung gebracht werden. Diese Änderung führt zu einer proportional höheren Signalantwort. In der Hyperpolarisations-MRT werden verschiedene Kerne wie ¹³C, ¹²⁹Xe oder ³He verwendet, die für spezifische Anwendungen optimiert sind.

Techniken

Bei der Hyperpolarisations-MRT werden verschiedene Techniken angewendet:

• Dynamische Kernpolarisation (DNP): Moleküle werden in einer festen Matrix mit Elektronenradikalen gemischt. Die Elektronenradikale dienen als Polarisationsquelle. Bei tiefen Temperaturen (~1 K) unter Mikrowellenstrahlung und einem starken Magnetfeld wird die Polarisation durch Mikrowellen auf die Atomkerne der gewünschten Substanz übertragen. Anschließend wird die Substanz auf eine flüssige Lösung übertragen, auf Körpertemperatur gebracht und in den Patienten injiziert. Die DNP ist universell einsetzbar und die am weitesten verbreitete Methode.
• Parahydrogen-Induced Polarization (PHIP): Diese chemische Methode nutzt die natürliche Polarisierung von Parahydrogen. Dabei handelt es sich um eine Form von Wasserstoff mit paralleler Spinorientierung. Durch katalytische Prozesse wird die Polarisation auf ein Substrat übertragen. PHIP ist im Vergleich zu DNP technisch weniger aufwändig und günstiger, hat aber eine eingeschränktere Anwendbarkeit, da chemische Umwandlungen erforderlich sind.
• Signal Amplification by Reversible Exchange (SABRE): Eine Variante der PHIP, die keine chemische Umwandlung des Substrats benötigt. SABRE nutzt metallorganische Katalysatoren, um Parahydrogen reversibel an das Substrat zu binden und so die Polarisierung zu übertragen. Die Technik ist nützlich, um einfache Moleküle wie Pyridin zu polarisieren und bietet Potenzial für kostengünstige Anwendungen. Die Auswahl an Substraten und Katalysatoren ist beschränkt und wird aktiv erforscht.
• Xenon-Hyperpolarisation: Wird speziell für die Lungenbildgebung verwendet, indem hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe inhaliert wird, um die Ventilation, Perfusion und den Gasaustausch sichtbar zu machen. Xenon bindet außerdem an hydrophobe Gewebebereiche.

T1-Relaxationszeit

Die T1-Relaxationszeit ist entscheidend für die Lebensdauer der Hyperpolarisation. Diese Zeit variiert je nach Molekül und Umgebung zwischen wenigen Sekunden bis zu Minuten. Sie bestimmt, wie lange ein Molekül hyperpolarisiert bleibt. Die Verlängerung der T1-Zeit ist ein aktiver Forschungsbereich, um die Nutzbarkeit der Hyperpolarisation in der Bildgebung zu maximieren. Methoden zur Stabilisierung umfassen die Entwicklung spezialisierter Lösungsmittel sowie von Molekülmodifikationen, um das Zerfallsverhalten zu verzögern.

Bildgebungsstrategien und Sequenzoptimierung

Die Hyperpolarisations-MRT erfordert spezielle Bildgebungssequenzen, welche die kurze Lebensdauer der Hyperpolarisation berücksichtigen:

• Spektroskopische Bildgebung: Erlaubt die selektive Visualisierung von Metaboliten wie Pyruvat und Lactat.
• Variable Flipwinkel-Techniken: Diese optimieren die Signalnutzung durch angepasste RF-Pulse, um den Verlust der Polarisation während der Messung zu minimieren.
• Kinetische Modellierung: Diese Technik verfolgt die zeitliche Verteilung und Umwandlung hyperpolarisierter Substanzen in Echtzeit.

• Onkologie: Hyperpolarisiertes ¹³C-Pyruvat ist der am häufigsten genutzte Tracer zur Darstellung des Tumorstoffwechsels. Die Umwandlung zu Lactat als Hinweis auf den in vielen Tumorzellen vorherrschenden Warburg-Effekt kann dargestellt werden. Die Visualisierung der metabolischen Aktivität ermöglicht es, Therapieansprechen zu bewerten und Rezidive frühzeitig zu erkennen.
• Kardiologie: Hyperpolarisierte Substanzen wie Pyruvat können verwendet werden, um den zellulären Energiestoffwechsel im Herzen zu analysieren. Dies ist besonders bei ischämischen Herzerkrankungen hilfreich.
• Pulmologie: Hyperpolarisiertes ¹²⁹Xe ermöglicht Untersuchungen der Lungenventilation und Perfusion sowie des Gasaustausches, was besonders bei Asthma, COPD und Lungenfibrose von Bedeutung ist.
• Neurologie: Die Hyperpolarisations-MRT wird zur Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungen durch die Abbildung des zerebralen Glukosestoffwechsels eingesetzt.

Zu den Vorteilen der Hyperpolarisations-MRT zählen:

• deutliche Signalverstärkung im Vergleich zur herkömmlichen MRT
• ermöglicht die Visualisierung verschiedener Metaboliten
• keine ionisierende Strahlung
• nicht invasiv

• Signalstabilität: kurze Lebensdauer der Hyperpolarisation erfordert schnelle und effiziente Bildakquisition
• begrenzte räumliche Auflösung aufgrund des bis zu 100-mal geringeren Signal-Rausch-Verhältnisses bei bestimmten Stoffwechselprodukten wie ¹³C-Alanin und ¹³C-Laktat. Eine Methode zur Entrauschung ist z.B. die Patch-based Global-Local (GL) HOSVD (Higher Order Singular Value Decomposition).
• Technische Anforderungen: spezialisierte und kostenintensive Ausrüstung sowie entsprechende Expertise in der Anwendung
• Substratverfügbarkeit und Tracer-Sicherheit: Viele Substanzen müssen noch weiterentwickelt werden, um klinisch breite Anwendung zu finden.

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