MR-Bildgebung und -Spektroskopie an hyperpolarisierten Edelgasen

Der Einsatz von hyperpolarisierten Edelgasen (³He und ¹²⁹Xe) in der Kernspintomographie ist ein breit gefächertes Forschungsfeld. Anfänglich wurden an der PTB die Erzeugung und der Einsatz von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe vorangetrieben, um Spektroskopie an gelöstem ¹²⁹Xe im menschlichen Kopf in vivo durchzuführen (eingebunden in das Berlin NeuroImaging Center ). Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Absolutmessung der Flussgeschwindigkeit des Gases in den menschlichen Atemwegen.

In einer Kooperation der drei Berliner Institute PTB, Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) wurde nun ein auf ¹²⁹Xe basierender Biosensor zur Untersuchung von Fragestellungen aus der Immunologie entwickelt [9]. Diese Arbeiten wurden im Rahmen des BMBF Innovationswettbewerb Medizintechnik 2009 ausgezeichnet.

Durch die Zusammenarbeit mit der AG Biomagnetismus (8.21) ergab sich das Forschungsfeld der SQUID-Detektion von frei präzedierenden Kernspins in extrem kleinen Magnetfeldern. Hieraus entwickelte sich eine Kooperation mit der AG von Prof. Heil aus der Uni Mainz, in der die Magnetometrie mittels hyperpolarisierter Edelgase und die magnetischen Eigenschaften von Gläsern erforscht werden.

• Erzeugung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe und ³He
• ¹²⁹Xe-Biosensoren für die MRT in der Immunologie
• Spektroskopie von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn
• Geschwindigkeitsmessung von strömenden Edelgasen
• Bildgebung hyperpolarisierter Edelgase in der Lunge
• Messung der freien Spinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen in extrem kleinen Magnetfeldern
• Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Gläsern

Beispiele

• Erzeugung von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe und ³He

  Im Rahmen einer Dissertation [1] und einer Diplomarbeit wurden zwei Apparaturen zur Erzeugung von kernspinpolarisiertem ¹²⁹Xe und ³He aufgebaut, welche nach dem Prinzip des optischen Spinaustauschpumpens arbeiten. Die hiermit erreichbare Magnetisierung von ¹²⁹Xe oder ³He ist ca. 10000 mal größer als die Gleichgewichtsmagnetisierung desselben Gases im Kernspintomographen und erlaubt es, das Gas ortsaufgelöst zu detektieren.
  
   
  
  Schema des optischen Spinaustauschpumpens. Durch zirkular polarisiertes Laserlicht werden die Elektronenspins des Rubidiumdampfes hoch polarisiert. Im zweiten Schritt wird durch Stöße die Polarisation von der Rb-Elektronenhülle auf die Kernspins übertragen  
  

• ¹²⁹Xe-Biosensoren für die MRT in der Immunologie

  Hierbei geht es um die Präsentation körperfremder Antigene durch den Molekülkomplex MHC II (Haupthistokompatibilitätskomplex II), ein Prozess, der die spezifische Immunreaktion des Organismus auf den Fremdkörper induziert. Für die Experimente wurde ein für Xenon zugänglicher Molekülkäfig mit dem Peptid Hemagglutinin (HA), einem Fragment des Influenza-Virus, das ein Substrat des Allels HLA DR1 des MHC II ist, über ein Polyethylenglykolmolekül und ein vorgeschaltetes Viererpeptid (GEEG), das die Löslichkeit verbessert, verbunden [9].
  
  
  
  
  Modell des ¹²⁹Xe basierten Biosensors (Cage, Linker, HA-Peptid) gebunden an MHC II.
  
  
  
  MR-Signal des im Biosensor eingeschlossenen ¹²⁹Xe in Abwesenheit (blau) und Gegenwart (rot) von MHC. Das Signal des in Lösung befindlichen ¹²⁹Xe liegt bei 193 ppm (nicht dargestellt).  
  

• Spektroskopie von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn

  Im Gegensatz zu Helium löst sich Xenon sehr gut in Blut und Gewebe und überwindet zudem die Blut-Hirn-Schranke. Somit kann mittels MR-Spektroskopie das ¹²⁹Xe nach dem Einatmen von hyperpolarisiertem Xenon-Gas im menschlichen Kopf nachgewiesen werden. Hierzu wurden Zeitreihenmessungen [4] unternommen, die mit Hilfe eines Perfusionsmodells analysiert werde konnten. Diese Untersuchungen ließen den Schluss zu, dass das in grauer Substanz gelöste Xenon von dem in weißer Substanz gelösten unterschieden werden kann.
  
   
  Messung der Signale von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn (Punkte) nach dem Einatmen des Gases zum Zeitpunkt t=0. Durch den Vergleich mit theoretisch berechneten Konzentrationen (Linien) kann die Herkunft der beiden Signale zugeordnet werden.
  
  In ortsaufgelösten spektroskopischen Messungen (so genannten CSI-Aufnahmen) war es zudem möglich, weitere Signale von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe zu detektieren, welche aus Bereichen außerhalb des Gehirns stammen [5].
  
   
  Ortsaufgelöste MR-Spektroskopie von ¹²⁹Xe im menschlichen Gehirn in einer sagittalen Projektion. Das Signal bei 0 ppm (links) rührt von gasförmigem Xenon im Vorratsbeutel, wohingegen die anderen drei Signale von im menschlichen Kopf gelöstem Xenon stammen. Die stärksten Signale bei 196 ppm (rechts) und 193 ppm (zweites von rechts) stammen aus dem Gehirn, wohingegen das Signal bei etwa 190 ppm (zweites von links) außerhalb des Gehirns detektiert wird.

• Geschwindigkeitsmessung von strömenden hyperpolarisierten Edelgasen

  Mittels der MR-Phasenkontrastmessung ist es möglich, die Geschwindigkeit von strömenden Medien absolut in m/s zu bestimmen. In Vorversuchen ergaben MR-Messungen mit hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe, welches in Rohrsystemen strömte, sehr gute Übereinstimmung mit theoretisch berechneten Strömungprofilen. Ebenfalls konnten erste Geschwindigkeitsmessungen von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe in vivo in der menschlichen Trachea durchgeführt werden [3].
  
   
  Koronales (links) und drei axiale (rechts) MR-Geschwindigkeitsbilder von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe in einem Flussphantom, welches die Verzweigung der menschlichen Hauptbronchien nachbildet.

• Bildgebung der Lunge mit ¹²⁹Xe und ³He

  Das bekannteste Anwendungsgebiet hyperpolarisierter Edelgase ist die MR-Bildgebung des inhalierten Gases in der Lunge. Hieraus lassen sich neue medizinische Aussagen gewinnen, da die gewöhnliche MR-Bildgebung, welche die im Gewebe befindlichen Protonen abbildet, nur sehr schwache Signale vom Lungengewebe detektieren kann.
  
   
  
  
  Im Protonenbild (links) sind kaum Signale aus der Lunge zu sehen. Im ¹²⁹Xe-Bild (rechts) ist das in die Lunge eingeatmete Gas sichtbar. Im mittleren Bild wurden beide Aufnahmen überlagert.
  
  
   
  
  
  Koronale (oben) und axiale (unten) MR-Bilder von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe (rot) und ³He (grün) in der menschlichen Lunge, gemessen an einem gesunden Probanden.  

• Freie Spinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen in extrem kleinen Magnetfeldern

  Die freie Spinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen zeigt in extrem kleinen Magnetfeldern (1 nT < B < 10 µT) hoher Homogenität, wie sie in den magnetisch geschirmten Kabinen der PTB vorliegen, sehr interessante Eigenschaften. So sind bei geringen Gasdrücken (p < 100 mbar) transversale Relaxationszeiten im Bereich mehrerer Stunden erzielbar [6].
  Aufgrund des exzellenten Signal-Rausch-Verhältnisses sind diese Messungen auch geeignet, Magnetfelder zu charakterisieren [7].
  
   
  
  
  Messung der freien Spinpräzession von hyperpolarisiertem ¹²⁹Xe in einem Magnetfeld von 14,1 nT mit einer transversalen Relaxationszeit von 4560 Sekunden.
  

Durch die gleichzeitige Messung der Spinpräzession von hyperpolarisiertem ³He und ¹²⁹Xe, gespeichert in einer Glaszelle, kann ein Komagnetometer realisiert werden, mit dem hoch sensitiv Kopplungseffekte mit den Kernspins von den Schwankungen des Magnetfeldes separiert werden können. Bei einer Messzeit von etwa zwei Stunden konnte eine Messunsicherheit der Differenzfrequenz der ³He und ¹²⁹Xe Spinpräzession von 0,2 nHz erzielt werden [10].

• Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Gläsern

  Bei der Produktion und Speicherung von hyperpolarisierten Edelgasen spielt die Reinheit der verwendeten Gläser eine entscheidende Rolle. Insbesondere wären para- oder ferromagnetische Verunreinigungen extrem störend. Bei Messungen zusammen mit Mitarbeitern der AG von Prof. Heil aus der Uni Mainz konnte gezeigt werden, dass selbst in sehr reinen Gläsern ferromagnetische Verunreinigungen vorhanden sind [8].