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Mechanismen des Hyperpolarisations-Zerfalls bei 15N dynamischer nuklearer Polarisation (15N-HP-decay)
Antragsteller
Andrey Pravdivtsev, Ph.D.
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555951950
Die magnetische Kernspinresonanz wurde durch die Einführung der Hyperpolarisationstechnologie revolutioniert. Diese Technologie ermöglichte eine ausgezeichnete Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie im nmol/L Bereich sowie die MRT des in-vivo Stoffwechsels von hyperpolarisierten Tracern. Solche Tracer haben eine hohe Spezifität für diverse Krankheiten. Biochemische Studien legen nahe, dass es weit mehr Tracer mit vergleichbar hoher Spezifität für verschiedene Krankheiten geben muss. Solche Tracer waren bisher jedoch nicht für die MRT zugänglich. Wir haben festgestellt, dass einige von diesen Tracern auf mehr als 30% hyperpolarisiert werden können, hingegen nach dem Transfer vom Polarisator zum Ort der Messung keine Polarisation mehr vorhanden ist. Diese Wirkung wurde von uns z. B. für Nikotinamid (eine Form von Vitamin B3), Pyridin, Pyrazin und Metronidazol festgestellt. Wir fanden heraus, dass die Lebensdauer der Polarisation von 1-15N in Abhängigkeit von den physikalischen Bedingungen (pH-Wert, Temperatur und Magnetfeld) zwischen 2 und 100 Sekunden variiert. Neuere Daten aus der Literatur deuten darauf hin, dass der gleiche Effekt für Succinat und Fumarat bei niedrigen Magnetfeldern beobachtet wird. Daher können die Transportbedingungen der Probe den beobachteten Polarisationswert drastisch beeinflussen. Die schnelle Relaxation einiger Tracer wird als ein Grund gesehen, weshalb eine große Zahl vielversprechender Metabolite bisher keine (prä-)klinischen Anwendungen gefunden hat. Es gibt viele Gründe, warum die Relaxation während des Transports so schnell ist: paramagnetischen Verunreinigungen, schneller chemischer Austausch und starke Spin-Spin-Kopplung. Die Auswirkungen all dieser Gründe können durch Änderung des pH, der Temperatur und des Magnetfelds reduziert und kontrolliert werden. Allerdings müssen auch die Mechanismen einer solchen Relaxation zunächst gut verstanden werden, um sie effektiv verhindern zu können. Bemerkenswerterweise haben wir vor kurzem herausgefunden, dass einige Zusätze in der Lösung die Polarisation und ihre Lebensdauer erheblich (Faktor 10-100x) erhöhen können. In diesem Projekt werden wir zunächst neuartige 15N-markierte Tracer für die molekulare MRT synthetisieren (i), im Anschluss ein Magnetfeld-Zyklussystem für hochauflösende NMR konstruieren (ii), mit dem wir die 13C- und 15N-Lebensdauer der Hyperpolarisation in Abhängigkeit von pH-Wert, Magnetfeld, Temperatur oder chemischer Zusätze untersuchen können (iii). Diese Daten werden uns helfen, den Relaxationsmechanismus besser zu verstehen und ein Protokoll zu entwerfen, um eine ausreichende Polarisation mit Hilfe der neuartigen Zusätze zu erhalten. Und schließlich werden wir den Nutzen der 15N-Hyperpolarisation anhand von in-vitro und in-vivo Modellen bewerten (iv). Dieses Projekt zielt darauf ab, die Anwendbarkeit der Hyperpolarisationstechnologie durch das Verständnis einer der grundlegendsten Eigenschaften von Kernspins - der Kernspinrelaxation - zu verbessern.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen