Methodik zur schnellen, effizienten und kontinuierlichen Applikation von hyperpolarisiertem Xenon-129 in wässrigen und biokompatiblen Flüssigkeiten
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Die moderne, medizinische Diagnostik sucht zunehmend nach spezifischen Kontrastmitteln, die eine direkte Beobachtung des menschlichen Stoffwechsels erlauben. Da solche Untersuchungsstrategien eine molekulare Identifizierung sowie den Nachweis von einigen wenigen Molekülen erfordern, werden sie "molecular imaging" genannt. Um eine molekulare Identifizierung zu erreichen, müssen die Kontrastmittel spezifische funktionelle Gruppen besitzen und durch klinische MRT in sub-nano-molaren Konzentrationen nachgewiesen werden, deren Signal künstlich verstärkt werden muss. Für letzteres sind Hyperpolarisationstechniken sehr vielversprechend. Eine besonders vielversprechende Idee ist die Verwendung von HP Xe-129 innerhalb von funktionalisierten Containermolekülen (z.B. Cryptophanen). Hierbei stammt die Empfindlichkeit vom HP-Xe, während die Selektivität durch die empfindliche chemische Verschiebung von Xenon gerade bedingt durch kleine Änderungen in der elektronischen Struktur des Containers entsteht. Die Funktionalisierung des Containers mit einer oder mehreren Targetstrukturen ermöglicht dann die Untersuchung von metabolischen Prozessen, wie z.B. die Bindung der Funktionsgruppe mit einem oder mehreren Enzymen.
Ein kritischer Punkt für die Umsetzung dieses Konzepts zeigt sich jedoch im Lösen des HP-Gases in Bioflüssigkeiten. Das Hauptziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung einer Methode zur schnellen, polarisationserhaltenden und kontinuierlichen Applikation von hyperpolarisierten Xenon-129 in wässrigen und biokompatiblen Flüssigkeiten. Diese Apparatur besteht aus einer Kompressoreinheit, die das HP Xe-129 kontinuierlich und polarisationserhaltend bereitstellt, und der Membraneinheit, die eine molekulare Lösung des HP-Gases in wässrigen Flüssigkeiten über hydrophobe Hohlfasermembranen ermöglicht. Verschiedene Typen von Kompressoren wurden im Bezug auf Funktion und brauchbare Materialien getestet. Besonderer Wert wurde auf die systematische Verbesserung der Transferverluste in der Gas- und Flüssigphase gelegt. Basierend auf diesen Ergebnissen sind mehrere physikalische Modelle zur Beschreibung der Verluste entwickelt worden. Mit diesen Modellen wurden Richtlinien formuliert, die die HP Xe-Polarisationsverluste während des Transferprozesses in eine Flüssigkeit minimieren.
Abschließend wurde die erfolgreiche Umsetzung an zwei Experimenten demonstriert. Zunächst wurde HP-Xe als Kontrastmittel für die MR-Bildgebung in niedrigen Magnetfeldern (<0,2,T) mit der entwickelten Applikationsmethode getestet. Dazu ist ein Niederfeld-Tomograph aufgebaut worden. Mehrere Xe-129-MR-Bilder wurden in der Gas- und Flüssigphase aufgenommen und erreichten eine Auflösung von 2 bis 3 mm. Solche Aufnahmen erfordern eine gute Signalstabilität bei hoher Xe-Polarisation über die gesamte Messzeit, was durch die HP Xe-129-Applikationseinheit erreicht wird.
Im finalen Experiment wurde das gelöste HP-Xe in einer wässrigen Cryptophan-A (OCH2COOH)6 Lösung untersucht. Hierbei konnten über 30 min hinweg stabile Xe-Signale in der Lösung gemessen werden, einzig limitiert durch die Größe des Gasreservoirs. Dieses hervorragende Ergebnis ermöglichte es, den chemischen Austausch von Xe zwischen den Containern und Wasser mit einem zeitaufwendigen 2D NMR-Experiment zu beobachten. Die gute Signalstabilität über die Messzeit hinweg ließ eine relativ genaue Bestimmung der Verweildauer des Xe im Cryptophan mit (42,9+/-3,3) ms zu.