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MR-Messtechnik

Arbeitsgruppe 8.11

Hyperpolarisiertes 129Xe in der molekularen Bildgebung


Die molekulare Bildgebung hat zum Ziel physiologische Prozesse auf molekularer oder zellulärer Ebene durch direkte Messung der beteiligten Substanzen (Biomarker) oder ihrer Wechselwirkungen abzubilden. Das erfordert Messungen von außergewöhnlicher Empfindlichkeit und Genauigkeit wie sie in der kernmagnetischen Resonanz nur mit Hilfe von Verfahren der Hyperpolarisation erreicht werden können, beispielsweise am Isotop 129Xe mit Kernspin 1/2. Hyperpolarisiertes 129Xe ermöglicht in Verbindung mit Trägersubstanzen als Kontrastmittel den hochsensitiven Nachweis von Biomarkern in Konzentrationen von 1 Nanomolar oder weniger in-vitro. Für die Weiterentwicklung der molekularen Bildgebung mit hyperpolarisiertem 129Xe ist eine metrologische Charakterisierung notwendig, um effiziente und quantitative Messverfahren entwickeln und etablieren zu können. Potentielle Anwendungen Xenon-basierter Kontrastmittel liegen in Bereichen der in-vitro Diagnostik, beispielsweise in quantitativen Biomarkerprofilen für die personalisierte Medizin, und der medizinischen Bildgebung, beispielsweise für die Früherkennung von Erkrankungen oder die Darstellung des therapeutischen Verlaufs.

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129Xe-Biosensoren für die Immunologie

Die Präsentation körperfremder Antigene durch den Molekülkomplex MHC II (Haupthistokompatibilitätskomplex II) ist der erste Schritt für die spezifische Immunreaktion des Organismus auf einen Fremdkörper. Zum exemplarischen Nachweis der Antigenbindung durch MHC II ist das Peptidfragment Hemagglutinin (HA) des Influenza-Virus mit einem für Xenon zugänglichen Molekülkäfig (Cryptophan-A) durch einen Linker (aus PEG und vorgeschaltetem Viererpeptid GEEG) verbunden worden. Das Signal des an diesen Biosensor gebundenen hyperpolarisierten 129Xe erfährt eine Positionsverschiebung durch die Bindung an MHC II, was einen spektroskopischen Nachweis der Antigen:MHC-Komplexbildung im Bereich mikromolarer Konzentrationen ermöglicht.

 

 

Schema der Biosensorbindung an MHC II. Freier (blau) oder gebundener Sensor (rot) können in-vitro anhand unterschiedlicher Signale im Xenon-NMR-Spektrum diskriminiert werden

Kinetik der Wirt-Gast Beziehung von hyperpolarisiertem 129Xe mit Trägersubstanzen

Das Container-förmige Molekül Cryptophan-A hat sich als Trägersubstanz für hyperpolarisiertes 129Xe bewährt. Sie kann ein einzelnes Xenonatom für einige Millisekunden einschließen und über funktionelle Gruppen an spezifische Zielsubstanzen binden (targeting). Solche Biosensoren sind in einer Vielzahl von Studien zur Biomarker- oder Zellerkennung eingesetzt worden, ein Beispiel findet sich oben. Aufgrund der reversiblen Bindung kann die Methode des Sättigungstransfers zwischen freiem und eingeschlossenem Xenon angewandt werden und somit – abhängig von der Bindungskinetik – die Grenze zum Nachweis einer Zielsubstanz nochmalig um bis zu mehreren Größenordnungen nach unter verschoben werden. Die Vorgehensweise ist essentiell, um Messungen im Konzentrationsbereich nativer Systeme (Zellen, Organismen) im Bereich Nanomolar und weniger durchführen zu können.

Die Kinetik der reversiblen Bindung von hyperpolarisiertem 129Xe an Cryptophan-A ist kürzlich aufgeklärt worden. In wässriger Lösung findet neben einem einfachen dissoziativen auch ein degenerierter Austausch von freiem und an Cryptophan-A gebundenem hyperpolarisiertem 129Xe statt.

  

Reaktionsschema zum degenerierten Austausch: Xenonatome wechseln den Bindungszustand ohne ein zwischenzeitlich freies Cryptophan-A Molekül.

Zur qualitativen und quantitativen Analyse der Bindungskinetik sind neue Messverfahren entwickelt worden, die Magnetisierungs- oder Sättigungstransfer zwischen ungebundenem und an den Biosensor gebundenem hyperpolarisierten 129Xe in Anhängigkeit von seiner Konzentrationen ausnutzen.

  

Die Rate für Sättigungs- oder Magnetisierungstransfer im Cryptophan-A-Xenon Wirt-Gast-System ist linear abhängig von der Xenon Konzentration. Aus Achsenabschnitt und Steigung können die kinetischen Raten für dissoziativen und degenerierten Austausch quantifiziert werden.

Kooperationspartner

Prof. Dr. C. Freund, Freie Universität Berlin (FUB)

Dr. L. Schröder,  Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie im Forschungsverbund Berlin e.V. (FMP)

Dr. T. Riemer, Institut für Medizinische Physik und Biophysik, Medizinische Fakultät der Univ. Leipzig

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Ausgewählte Literatur

Schlundt, et al.
A Xenon-129 Biosensor for Monitoring MHC–Peptide Interactions
Chem. Int. Ed. 48, 4142 (2009).
Opens external link in new windowDOI: 10.1002/anie.200806149

S. Korchak, W. Kilian, L. Mitschang
Configuration and Performance of a Mobile 129Xe Polarizer
Appl. Magn. Reson. 44, 65 (2013).
Opens external link in new windowDOI: 10.1007/s00723-012-0425-7

S. Korchak, W. Kilian, L. Mitschang
Degeneracy in cryptophane–xenon complex formation in aqueous solution
Chem. Comm. 51, 1721 (2015).
Opens external link in new windowDOI: 10.1039/C4CC08601E

S. Korchak, W. Kilian, L. Mitschang
Kinetics of Cryptophane-Xenon Complex Formation
Opens external link in new windowProc. Int. Symp. XeMAT 2015, 68 (2015).

S. Korchak, W. Kilian, L. Schröder, L. Mitschang
Design and comparison of exchange spectroscopy approaches to cryptophane–xenon host–guest kinetics
J. Magn. Reson. 265, 139 (2016).
Opens external link in new windowDOI: 10.1016/j.jmr.2016.02.005

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