Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) wordt al veel gebruikt in de geneeskunde voor diagnostische doeleinden. Hypergepolariseerde MRI is een meer recente ontwikkeling en het onderzoeks- en toepassingspotentieel ervan moet nog volledig worden onderzocht. Onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het Helmholtz Instituut Mainz (HIM) hebben nu een nieuwe techniek onthuld voor het observeren van metabolische processen in het lichaam. Hun singlet-contrast MRI-methode maakt gebruik van gemakkelijk geproduceerde parawaterstof om biochemische processen in realtime te volgen. De resultaten van hun werk zijn gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie en door de redactie gekozen als "hot paper", d.w.z., een belangrijke publicatie in een zich snel ontwikkelend en zeer belangrijk gebied.

In de afgelopen decennia is het is standaard geworden om MRI te gebruiken voor medisch onderzoek. Het kan worden gebruikt om zachte weefsels in het lichaam te onderzoeken, zoals de hersenen, tussenwervelschijven, en zelfs de vorming van tumoren. "MRI-beelden kunnen ons de structuur van de hersenen laten zien, bijvoorbeeld, maar ze vertellen ons niets over de biomoleculaire processen die in het lichaam plaatsvinden, deels vanwege de slechte gevoeligheid van MRI, " zei Dr. James Eills, eerste auteur van de studie en lid van de werkgroep onder leiding van professor Dmitry Budker bij JGU en HIM.

Gebruik van waterstofatomen in plaats van koolstof- of stikstofisotopen

Een manier om MRI-signalen aanzienlijk te verbeteren, is hyperpolarisatie. Dit bereikt een significante uitlijning van de signaalgenererende kernspins met behulp van een extern magnetisch veld. Hyperpolarisatie-versterkte MRI wordt al gebruikt om biomoleculaire processen in het lichaam te bestuderen; helaas, het gebruik van koolstofisotoop C-13 of de stikstofisotoop N-15 brengt bepaalde nadelen met zich mee. "Het zou dus een groot voordeel zijn als we waterstofatomen direct zouden kunnen gebruiken. Waterstof heeft een grotere gevoeligheid, is overvloediger, en de detectieapparatuur is direct beschikbaar, ", aldus Eills. Een nadeel van waterstof, echter, is de snelle ontspanningstijd. Dit betekent dat de gehyperpolariseerde atomen zo snel terugkeren naar hun oorspronkelijke staat dat het moeilijk is om afbeeldingen te genereren.

Dr. James Eills en zijn collega's hebben dit probleem aangepakt door een speciale kwantumtoestand van waterstofkernen te gebruiken, een zogenaamde singlettoestand, die is afgeleid van zogenaamd parawaterstof. "Dit betekent dat we de nadelen van hypergepolariseerde protonbeeldvorming konden overwinnen, vooral die met betrekking tot de korte ontspanningstijd, ", legt Eills uit. Terwijl waterstof meestal een relaxatietijd heeft van enkele seconden, dit kan minuten zijn in het geval van singlet-statussen. De singlet-toestand is ook niet-magnetisch en kan daarom niet worden waargenomen. Het kan alleen worden waargenomen als het molecuul niet langer symmetrisch is.

Wanneer fumaraat wordt gebruikt, metabolisme veroorzaakt hyperpolarisatie

In de studie die wordt besproken, de wetenschappers beschrijven hun techniek voor singlet-contrast MRI met fumaraat, een biomolecuul dat van nature voorkomt als tussenproduct van het metabolisme. Eerst, fumaraat wordt geproduceerd uit een voorlopermolecuul en parawaterstof. Het gehyperpolariseerde fumaraat wordt omgezet in malaat door toevoeging van een zwaarwatermolecuul. Deze omzetting elimineert de symmetrie van het molecuul, waardoor het magnetisch en detecteerbaar wordt. "Dan kunnen we de bijbehorende magnetische signalen gebruiken voor beeldvorming, ' merkte Dr. James Eills op.

Met koolstof-13 gelabeld fumaraat is al een molecuul dat een belangrijke rol speelt bij hypergepolariseerde beeldvorming. Dit werk opent de mogelijkheid om fumaraatbeeldvorming uit te voeren met alle voordelen van het observeren van waterstof in plaats van cabon-13. Bovendien, het gebruik van parawaterstof zou ook gunstig zijn omdat het gemakkelijk kan worden geproduceerd:waterstofgas wordt eenvoudig gekoeld in aanwezigheid van een katalysator, die vervolgens wordt verwijderd. De resulterende parawaterstof kan vervolgens worden opgewarmd en blijft maandenlang stabiel in de para-toestand.

"Hypergepolariseerde MRI bevindt zich in de vroege stadia van zijn ontwikkeling, en onze bijdrage is een spannende nieuwe MRI-variant, " concludeerde Eills. Het is mogelijk om beelden van het gehyperpolariseerde signaal op verschillende tijdstippen op te nemen, die het realtime volgen van metabolische processen mogelijk maakt.

"De combinatie van parahydrogen-geïnduceerde polarisatie met langlevende spin-states en enzymatische conversie breekt eindelijk de deur naar een kostenefficiënte magnetische resonantiebeeldvorming van fumaraat en vergelijkbare tumormarkers in het kankermetabolisme, " voegde professor Gerd Buntkowsky toe, hoofd van de groep Physical Chemistry of Condensed Matter aan de TU Darmstadt en corresponderend auteur van het werk.