In vivo-NMR-Spektroskopie und -Bildgebung mit intermolekularen Mehrquanten-Kohärenzen zur Untersuchung von Tier- und Pflanzenmodellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die magnetische Kernresonanz (NMR) ist eine nicht-invasive Methode zur Untersuchung von Anatomie und Stoffwechsel im Menschen sowie in Tier- und Pflanzenmodellen. Effekte des dipolaren Fernfeldes (distant dipolar field, DDF) der Probenmagentisierung werden in der herkömmlichen theoretischen Behandlung der NMR vernachlässigt. Unter kontrollierten experimentellen Bedingungen können diese jedoch erhebliche Signalbeiträge liefern und spektrale wie auch strukturelle Parameter zugänglich machen, die mit den konventionellen NMR-Methoden nicht verfügbar sind. Ziel dieses Projektes war es, derartige Effekte theoretisch zu beschreiben und neue Messmethoden für in vivo Anwendungen zu entwickeln. Dadurch sollte das Methodenspektrum in der biomedizinischen Analytik und Diagnostik erweitert werden. Von besonderem Interesse war hier die Messung von Strukturen, die kleiner sind als die Bildauflösung sowie die Anwendung der MR-Spektroskopie auf inhomogene Gewebe, bei denen herkömmliche NMR-Methoden auf Grund von Magnetfeldverzerrungen (z. B. durch Lufteinschlüsse oder paramagnetische Substanzen) versagen. Es wurden theoretische Betrachtungen und Computer-Simulationen der Experimente durchgeführt, die sowohl die Betrachtung des DDF wie auch den entsprechenden quantenmechanischen Formalismus der intermolekularen Mehrquanten-Kohärenzen (iMQC) nutzten. Neben den Grundlagen für neue Messmethoden lieferten diese Arbeiten eine Abschätzung bis zu welchem Maß an Inhomogenität die DDF/iMQC-Methodik anwendbar ist. Es zeigte sich, dass die meisten Anwendungen am Mensch und Tiermodell möglich sind, ein hoher Luftanteil, wie in grünen Blättern oder in der Lunge, jedoch keine Signaldetektion mehr erlaubt. Dieser fundamentale Befund widerlegte die bis dahin geltende Meinung die iMQC-Methodik sei vollständig immun gegen Inhomogenitäten der untersuchten Proben. Dadurch wurde die Hoffnung zerstreut mit Blättern grüner Pflanzen ein neues Anwendungsfeld der NMR-Spektroskopie zu erschließen. Für die experimentelle Anwendung wurden Verfahren entwickelt um problematische Anatomien, wie Tumoren oder das Rückenmark im Kleintiermodell zu untersuchen. Hier konnte gezeigt werden, dass neben einem Gewinn an spektraler Auflösung unter speziellen Bedingungen auch ein Gewinn an Mess-Effizienz mit der iMQC-Methodik erzielt werden kann. Weiterhin wurde ein neues Verfahren erprobt um die Aufnahme von Chemikalien in lebende Eizellen in konventionellen NMR-Spektrometern zu untersuchen. Hierfür erwies sich die iMQC-Methodik weit sensitiver als konventionelle NMR-Verfahren. Für die Anwendung in der Bildgebung wurde eine neue Messsequenz entwickelt, um bei höchsten Magnetfeldstärken die Sauerstoffversorgung des Gehirns zu messen (mittels des BOLD-Effekts). Hier zeigte sich jedoch, dass der gemessene Signalgewinn geringer war als erwartet und die iMQC-Methodik keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden bot. Schließlich wurde die iMQC-Methodik zum ersten Mal in der molekularen Bildgebung eingesetzt und verschiedene Methoden untersucht mit denen es möglich war Eisen-Ablagerungen im Gehirn darzustellen. Insgesamt ist es mit diesem Projekt gelungen das theoretische Verständnis der iMQC-Methodik so weit voran zu bringen, dass konkrete Anwendungen für die biomedizinische Analytik entwickelt werden konnten. Weitere Arbeiten bieten sich insbesondere auf dem Gebiet der molekularen Bildgebung und der Untersuchung von Mikrostrukturen sowie in Kombination mit Hyperpolarisations-Verfahren an.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2004). Solvent suppression in liquid state NMR with selective intermolecular zero-quantum coherences. Chemical Physics Letters 393, 464-469
Balla, D. Z. and Faber, C.
- (2005). Solvent-localized NMR spectroscopy using the distant dipolar field: A method for NMR separations with a single gradient. Journal of Magnetic Resonance 176, 120-124
Faber, C.
- (2006). Sensitivity to local dipole fields in the CRAZED experiment: An approach to bright spot MRI. Journal of Magnetic Resonance 182, 315-324
Faber, C., Heil, C., Zahneisen, B., Balla, D. Z., and Bowtell, R.
- (2006). Spatially localized intermolecular zero-quantum coherence spectroscopy for in vivo applications. Magnetic Resonance in Medicine 56, 745-753
Balla, D. Z., Melkus, G., and Faber, C.
- (2007). Gradient echo and CRAZED imaging for minute-detection of Alzheimer plaques in an APPV717I x ADAM10(dn) mouse model. Magnetic Resonance in Medicine 57, 696-703
Faber, C., Zahneisen, B., Tippmann, F. Schroeder, A., Fahrenholz, F.
- (2007). In vivo intermolecular zero-quantum coherence MR spectroscopy in the rat spinal cord at 17.6 T: a feasibility study. Magn. Reson. Mater. Phy., 20, 183-191
Balla, D. Z., and Faber, C.
- (2007). Resolution Enhancement in In Vivo NMR Spectroscopy. Annual Reports on NMR Spectrocsopy, Volume 61
Faber, C.
- (2008). BOLD Imaging in the Mouse Brain using a TurboCRAZED Sequence at High Magnetic Fields. Magn. Reson. Med., 60, 850-859
Schneider, J.T., and Faber, C.
- (2008). Intermolecular zero-quantum coherence NMR spectroscopy in the presence of local dipole fields. J. Chem. Phys. 128(15)
Balla, D.Z., and Faber, C.
- (2008). Localized intermolecular zero-quantum coherence spectroscopy in vivo. Concepts Magn. Reson. A, 32, 117-133
Balla, D.Z., and Faber, C.
- (2010). NMR Separation of intra- and extracellular compounds based on intermolecular cohrences. Biophysical Journal Vol. 99: 2336-2343
Hoerr, V., Purea, A., and Faber, C.
