Forschung & Entwicklung

Xenon-Biosensoren verbessern Diagnosegenauigkeit

11.09.2012

Eine neue Aufnahmetechnik kann Biomarker in weniger als zwei Minuten mit einer Genauigkeit abbilden, für die ein Patient bei bisherigen Techniken 1100 Jahre stillhalten müsste.

Martin Kunth, Jörg Döpfert und Dr. Leif Schröder mit einem Modell des Xenon-Käfigs

In der medizinischen Diagnostik sind Details wie Zelltypen oder gering konzentrierte Stoffwechselprodukte selbst mittels Kernspintomographie (MRT) kaum zu erkennen. Die Positronenemissions-Tomographie (PET) ist hierfür geeigneter, allerdings bietet dieses Verfahren geringere Auflösung und bringt wegen der Nutzung radioaktiver Isotope eine Strahlenbelastung für den Patienten mit sich. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Molekulare Pharmakologie (FMP), Berlin, arbeiten daran, die Vorteile beider Methoden in einem neuen Verfahren zu kombinieren.
Beim MRT richtet sich der Spin von Atomkernen in einem starken Magnetfeld aus. Durch Wechselwirkung mit Radiowellen werden Signale erzeugt, aus denen sich detailreiche Bilder errechnen lassen. Anders als beim herkömmlichen MRT-Verfahren messen die Forscher am FMP unter Leitung von Dr. Leif Schröder aber nicht die Resonanz von Wasserstoff-Atomen, die im menschlichen Körper zwar allgegenwärtig sind, aber nur schwache Signale aussenden. Stattdessen reichern sie die Proben mit „hyperpolarisiertem“ Xenon an, dessen Atomkerne in Summe weit stärkere Signale aussenden.
Ziel ist ein Diagnoseverfahren, bei dem Patienten einmal das ungiftige Edelgas einatmen, so dass es sich zunächst in der Lunge anreichert und über das Blut im Körper verteilt. Patientenspezifisch injizierte Biosensoren könnten sich z.B. an bestimmte Tumorzellen oder Arteriosklerose-Plaques anheften und mittels ihrer besonderen Käfigstruktur die Xenonatome einfangen. Die gesuchten Moleküle oder Zellen würden so im Magnetfeld spezifisch sichtbar.
Die Idee zu dieser Methode entstand bereits an der Universität von Berkeley in Kalifornien, USA, wo Schröder vor seiner Zeit am FMP arbeitete. Am Berliner Institut haben die Wissenschaftler das Verfahren zur Erzeugung des hyperpolarisierten Xenons nun optimiert: Zur Anwendung kommt ein starker Laser, in dessen Strahl sich die Atomkerne für eine gewisse Zeit magnetisch ausrichten. Der besondere Trick besteht nach Aussage der Forscher darin, dass das Signal der Xenon-Atome durch die Biosensoren „gelöscht“ wird. Da sie jeweils nur für wenige Millisekunden in den Molekülkäfig hinein diffundieren, werden während einer Aufnahme Tausende Atome quasi abgeschaltet, wodurch ein dunkler Fleck im Bild entsteht.
Die geforderte Auflösung äquivalent zu anderen Diagnoseverfahren wird auch durch eine bessere Signalverarbeitung erreicht. Die Messdauer konnte inzwischen von 20 Minuten auf 100 Sekunden reduziert werden.
Die Untersuchungen sollen nun an lebenden Proben durchgeführt werden. Die Methode gestattet es auch, unterschiedliche Biosensoren zeitgleich einzusetzen und sie bei verschiedenen Radiofrequenzen zu detektieren. So sollen unterschiedliche Zelltypen, aus denen sich ein Tumor zusammensetzt, sichtbar gemacht werden.

BioPhotonik NL19/2012

• http://www.fmp-berlin.de

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