Magnetisk resonanstomografi (MRT) används redan i stor utsträckning inom medicin för diagnostiska ändamål. Hyperpolariserad MRI är en nyare utveckling och dess forsknings- och tillämpningspotential har ännu inte utforskats fullt ut. Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM) har nu avslöjat en ny teknik för att observera metaboliska processer i kroppen. Deras singlet-kontrast MRI-metod använder lättproducerat paraväte för att spåra biokemiska processer i realtid. Resultaten av deras arbete har publicerats i Angewandte Chemie International Edition och vald av redaktionen som en "het tidning", dvs. en viktig publikation inom ett snabbt växande och mycket betydelsefullt område.

Under de senaste decennierna, det har blivit standardpraxis att använda MRT för medicinska undersökningar. Det kan användas för att undersöka mjuka vävnader i kroppen som hjärnan, intervertebrala diskar, och även bildandet av tumörer. "MRI-bilder kan visa oss hjärnans struktur, till exempel, men de berättar ingenting om de biomolekylära processer som sker i kroppen, delvis på grund av den dåliga känsligheten för MRT, " sa Dr James Eills, första författare till studien och medlem i arbetsgruppen ledd av professor Dmitry Budker vid JGU och HIM.

Använder väteatomer istället för kol- eller kväveisotoper

Ett sätt att avsevärt förbättra MRT-signaler är hyperpolarisering. Detta åstadkommer en betydande inriktning av de signalgenererande kärnsnurren med hjälp av ett externt magnetfält. Hyperpolarisationsförstärkt MRT används redan för att studera biomolekylära processer i kroppen; tyvärr, användningen av kolisotopen C-13 eller kväveisotopen N-15 är förenad med vissa nackdelar. "Det skulle alltså vara till stor fördel om vi kunde använda väteatomer direkt. Väte har större känslighet, är rikligare, och detektionsutrustningen är lättillgänglig, " sade Eills. En nackdel med väte, dock, är dess snabba avkopplingstid. Detta innebär att de hyperpolariserade atomerna återgår till sitt ursprungliga tillstånd så snabbt att det är svårt att skapa bilder.

Dr James Eills och hans kollegor tacklade detta problem genom att använda ett speciellt kvanttillstånd av vätekärnor som kallas singlettillstånd, som härrör från så kallat paraväte. "Detta betyder att vi kunde övervinna nackdelarna med hyperpolariserad protonavbildning, särskilt de som rör den korta avslappningstiden, " förklarade Eills. Medan väte vanligtvis har en avslappningstid på några sekunder, detta kan vara minuter i fallet med singletttillstånd. Singlettillståndet är också omagnetiskt och kan därför inte observeras. Det kan bara observeras när molekylen inte längre är symmetrisk.

När fumarat används, metabolism utlöser hyperpolarisering

I den aktuella studien, forskarna beskriver sin teknik för singlet-contrast MRI med fumarat, en naturligt förekommande biomolekyl som en mellanprodukt av metabolism. Först, fumarat framställs från en prekursormolekyl och paraväte. Det hyperpolariserade fumaratet omvandlas till malat genom tillsats av en tungvattenmolekyl. Denna omvandling eliminerar molekylens symmetri, gör den magnetisk och detekterbar. "Då kan vi använda de tillhörande magnetiska signalerna för avbildning, " påpekade Dr James Eills.

Kol-13-märkt fumarat är redan en molekyl som spelar en betydande roll vid hyperpolariserad avbildning. Detta arbete öppnar möjligheten att utföra fumaratavbildning med alla fördelarna med att observera väte snarare än cabon-13. Dessutom, användning av paraväte skulle också vara fördelaktigt på grund av det faktum att det lätt kan produceras:Vätgas kyls helt enkelt i närvaro av en katalysator, som sedan tas bort. Det resulterande paravätet kan sedan värmas upp och förblir stabilt i para-tillståndet i månader.

"Hyperpolariserad MRT är i ett tidigt skede av sin utveckling, och vårt bidrag är en spännande ny MR-variant, " avslutade Eills. Det är möjligt att spela in bilder av den hyperpolariserade signalen vid olika tidpunkter, som möjliggör realtidsspårning av metaboliska processer.

"Kombinationen av paraväteinducerad polarisering med långlivade spin-tillstånd och enzymatisk omvandling bryter slutligen dörren till en kostnadseffektiv magnetisk resonanstomografi av fumarat och liknande tumörmarkörer i cancermetabolism, " tillade professor Gerd Buntkowsky, chef för gruppen Physical Chemistry of Condensed Matter vid TU Darmstadt och motsvarande författare till verket.