Tumörer, inflammation och cirkulationsstörningar stör lokalt kroppens syra-basbalans. Dessa förändringar i pH -värde kan användas till exempel för att verifiera framgången för cancerbehandlingar. Tills nu, dock, det har inte funnits någon avbildningsmetod för att synliggöra sådana förändringar hos patienter. Nu har ett team från tekniska universitetet i München (TUM) utvecklat en pH -sensor som gör pH -värden synliga genom magnetisk resonansavbildning (MRI) - i en icke -invasiv, strålningsfritt sätt.

Fyra år sedan, under ett magnetresonansförsök med tumörceller, TUM -fysikern Dr. Franz Schilling hittade signaler från en molekyl som var mycket känslig för pH -förändringar. Molekylen, som identifierades som zymonsyra i efterföljande undersökningar, kan spela en viktig roll i framtiden för medicinsk bildbehandling. Som biosensor för pH -värden, det kunde ge insikter i kroppen som tidigare varit omöjliga.

"En lämplig pH -avbildningsmetod skulle göra det möjligt att visualisera onormala förändringar i vävnad och specifikt metaboliska processer av tumörer, "förklarar Franz Schilling. Områden kring tumörer och inflammationer är vanligtvis något surare än områden som omger frisk vävnad, ett fenomen som möjligen är kopplat till tumörernas aggressivitet. Schilling ser ytterligare potentiella användningsområden i behandlingsprognoser:"pH -värden är också intressanta när det gäller att utvärdera effekten av tumörbehandlingar. Redan innan en framgångsrikt behandlad tumör börjar krympa, dess metabolism och därmed pH -värdet i det omgivande området kan förändras. En lämplig pH -avbildningsmetod skulle på ett mycket tidigare skede indikera om rätt tillvägagångssätt har valts eller inte. "

Schilling är nu chef för arbetsgruppen för preklinisk bildbehandling och medicinsk fysik vid kliniken och polykliniken för kärnmedicin i TUM Klinikum rechts der Isar. Under de senaste åren, han har gått ihop med kollegor från fysiska institutioner, Kemi och medicin för att undersöka zymonsyra som en biosensor. I journalen Naturkommunikation teamet beskriver hur det kan användas för att på ett tillförlitligt sätt representera pH -värden i små djurs kroppar.

MR-avbildning med tidsbegränsningar

För att synliggöra pH -värden med zymonsyra, molekylen injiceras i kroppen och sedan görs en magnetisk resonanstomografi (MRI) undersökning av objektvävnaden. I mycket förenklade termer:I ett starkt magnetfält, radiovågor upphetsar zymonsyrans kärnsnurr till oscillation. Kärnornas reaktioner registreras sedan. Denna data används för att beräkna frekvensspektra som i sin tur ger information om de kemiska egenskaperna hos kärnornas molekylära omgivning. I sista hand, pH-värdet på varje undersökt plats i vävnaden kan representeras baserat på pH-beroende molekylära förändringar i zymonsyran.

Zymonsyra måste markeras med kol 13 för att vara synlig i MR -bilder. Detta innebär att molekylerna innehåller kol 13 -atomer (13C) istället för "normala" kol -12 -atomer. Men zymonsyra markerad på detta sätt är fortfarande inte mätbar:dess MR -signal är för svag. "Vi använder därför en relativt ny metod, hyperpolarisering, "förklarar Stephan Düwel, fysiker och första författare till studien. "Vi använder en speciell enhet för att överföra polariseringen av elektroner till 13C -atomkärnorna med hjälp av mikrovågor vid mycket låga temperaturer, vilket resulterar i en MR -signal upp till 100, 000 gånger starkare. "En varm vätska används sedan för att snabbt återställa zymonsyran till rumstemperatur.

Efter det här, forskarna måste agera snabbt. Biosensorn injiceras intravenöst i organismen, då måste MR-skanningen göras omedelbart:Det tar bara 60 sekunder för hyperpolariseringens signalförstärkande effekt att försvinna igen. "Vi arbetar för närvarande med att utöka det här tidsfönstret, "säger Düwel." Å ena sidan, vi försöker förbättra zymonsyrans MR -egenskaper med lämpliga modifieringar av molekylen; Å andra sidan, vi letar efter andra pH-känsliga molekyler, "förklarar biokemisten Christian Hundshammer, andra författaren till studien.

Fördelar jämfört med andra metoder

Franz Schilling och hans team har lyckats visa att deras metod är tillräckligt känslig för att representera medicinskt relevanta pH -värdeförändringar i organismen. Med zymonsyra är det dessutom möjligt att specifikt undersöka pH -värdet utanför cellmembranet:Med andra biosensorer är det ofta inte klart om uppmätta förändringar sker inom eller utanför cellen (intracellulär eller extracellulär). Detta är viktigt eftersom det intracellulära värdet vanligtvis är stabilt, medan förändringar i metabolism har en mycket större inverkan på det extracellulära värdet.

I motsats till optiska metoder, som är begränsade till ytlig penetration i kroppen på grund av vävnadens låga transparens, det finns inga begränsningar för penetrationsdjupet för MRT. Det har vidare visats att zymonsyra inte är giftigt i de koncentrationer som används med små djur och också skapas i låga koncentrationer som en biprodukt av metaboliten pyruvinsyra som finns i kroppen.

"Vi tror att zymonsyra är en mycket lovande biosensor för patientapplikationer, "säger Franz Schilling. Tills vidare, dock, ytterligare prekliniska studier planeras för att fastställa fördelarna med denna nya avbildningsbiomarkör jämfört med konventionella metoder och för att ytterligare förbättra den rumsliga upplösningen av pH-avbildning.