Authors:	Ebert, Sandro
Title:	Contrast-enhanced MRI using nanosystems
Online publication date:	20-Jan-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Das Ziel dieser Arbeit war es, Nanokapseln als Hochrelaxivitätskontrastmittel zu untersuchen, zu verstehen und zu optimieren. Es wurden zwei Arten von Kontrastmitteln untersucht: Erstens sogenannte positive Kontrastmittel, für welche der Ausgangspunkt Nanokapseln waren, mit Relaxivitäten ähnlich denen von bereits kommerziell erhältlichen Kontrastmitteln. Um ein rein systematisches Ausprobieren zu vermeiden, wurde die Relaxivität zunächst ganz allgemein untersucht in verschiedenen Polymerlösungen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass mit nur wenigen Annahmen, beinahe jede Polymerlösung und deren Relaxivität zumindest qualitativ gut beschrieben werden kann, indem lediglich die Viskosität als Parameter mitberücksichtigt wurde. Der Einfluss der Temperatur und des Magnetfeldes auf die Relaxivität wurde untersucht und konnte über Simulationen auch beschrieben werden. Über Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Mikroviskostität und nicht die Makroviskosität entscheidend ist für die Relaxivität. Die Verkapselung von Gadobutrol führt zu Relaxivitäten, welche bis zu sechsmal größer sind als die von reinem Gadovist. Es hat sich herausgestellt, dass der Protonenaustausch von höchster Wichtigkeit ist, damit Nanokapseln als Kontrastmittel funktionieren können. Über verschiedene Techniken wurde demonstriert, dass der Protonenaustausch schneller sein muss als ein paar hundert Mikrosekunden. Desweiteren haben 17O und NMR Diffusions Messungen gezeigt, dass die Kapselwände zu einer Veränderung der Diffusion und damit zu einer erhöhten Relaxivität führen. Die Erkenntnisse, gefunden über Experimente und Simulationen in verschiedenen Polymerlösungen, führten zur Entwicklung von Kapseln, in welchen zusätzlich Zucker verkapselt ist. Dies wiederum führte dazu, dass die Relaxivität nochmal auf einen Faktor zehn gegenüber einfachem Gadovist gesteigert werden konnte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Arbeit Nanokapseln untersucht und das Zustandekommen der hohen Relaxivität identifiziert und verstanden wurde. Dies führte zur Entwicklung von Kapseln mit einer Relaxivität, die zehnmal höher ist als die von Gadovist und einer Kontrasterhöhung in der Kernspintomographie. Zweitens wurden Nanokapseln als negative Kontrastmittel untersucht. Drei verschiedene Arten wurden untersucht, nämlich superparamagnetische Eisenoxide, Nanopartikel in welchen superparamagnetische Eisenoxide einpolymerisiert wurden und Nanokapseln, in welchen superparamagnetische Eisenoxide verkapselt waren. Für die Simulation der Systeme wurden zwei Ansätze gewählt: Zum einen der klassische Ansatz über die sogenannte „outer sphere“ Theorie und ein zweiter, sogenannter vereinheitlichter Ansatz, basierend auf MC Simulationen. Die Relaxivitäten für die verschiedenen Arten von Kontrastmitteln und verschiedenen Morphologien konnten über einen semi-empirischen Ansatz abgeschätzt werden, in welchem experimentell erhaltene Daten genutzt wurden, um die Relaxivitäten vorherzusagen. Es hat sich herausgestellt, dass die Polydispersität einen großen Fehler in den Rechnungen verursacht, trotzdem konnte die Relaxivität von superparamagnetischen Eisenoxiden und auch von Nanopartikeln qualitativ bestimmt werden. Für Nanokapseln hingegen führten die zwei gewählten theoretischen Ansätze zu fundamental verschiedenen Ergebnissen. Mit den klassischen theoretischen Ansätzen führte der nicht berücksichtigte Wasser- bzw. Protonenaustausch zu stark unterschätzten Relaxivitäten. Der vereinheitlichte Ansatz hingegen, in welchem der Austausch von Protonen mit berücksichtigt wird, ergab eine Verbesserung in der Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Wie im Falle der T1 Kontrastmittel spielt der Protonenaustausch eine entscheidende Rolle für die Relaxivität von Nanokapseln. Desweiteren haben die Messungen ergeben, dass Nanokapseln Relaxivitäten haben können, welche mit denen von einfachen Eisenoxidpartikeln konkurrieren können. Der Vorteil der Nanokapseln liegt in der simultanen Nutzung als Kontrastmittel und Wirkstoffträger. Daher ist es nötig, weitere Einsichten in das Relaxationsverhalten zu bekommen, für welche der vereinheitlichte Ansatz eine wertvolle Methode sein kann. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass über einen semi-empirischen Ansatz die Relaxivitäten von T2-Kontrastmitteln, speziell auch Nanokapseln, qualitativ berechnet und vorhergesagt werden können.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4209
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000000550
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	113 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen