Nanopartikel für die MRT – Intelligente Kontrastmittel

Interview mit Prof. Dr. Cornelia G. Palivan, Department Chemie, Universität Basel

01.09.2016

Kontrastmittel verbessern die Darstellung des Gewebes, das mit einer Magnetresonanztomographie (MRT) sichtbar gemacht wird. Deshalb ist es essentiell für eine detailliertere Bildgebung. Allerdings können herkömmliche Kontrastmittel, die auf dem Metall Gadolinium basieren, im frühen Stadium einer Krankheit keinen ausreichenden Kontrast erzeugen – oder nur bei sehr hoher Konzentration.

Image: Eine lächelnde Frau mit kurzen roten Haaren - Prof. Palivan; Copyright: privat

Prof. Dr. Cornelia G. Palivan; © privat

Forscher an der Universität Basel haben eine neue Art Nanopartikel entwickelt, die im Vergleich zu den üblichen Kontrastmitteln den Kontrast um das zehnfache verbessert. Aber das ist nur einer ihrer Vorteile. COMPAMED.de hat mit Prof. Cornelia Palivan, die eine der beteiligten Forschungsgruppen leitet, über das neue Kontrastmittel gesprochen.  

Prof. Palivan, wie funktionieren Kotrastmittel in einer MRT?

Prof. Cornelia G. Palivan: Die Magnetresonanztomographie ist eine nicht-invasive Technik, die besonders in der kardiovaskulären, neurologischen und onkologischen Diagnostik genutzt wird. Die Tomographie basiert auf Kontrast, der durch gewebeabhängige Variationen in der Relaxionszeit der Protonen (von Wasser- und Fettmolekülen) generiert wird. Dieser Kontrast wird durch die Zugabe von Kontrastmitteln verbessert.

Kontrastmittel werden verwendet, um Veränderungen im Gewebe detaillierter erkennen zu können, um beispielsweise einen Tumor sichtbar zu machen. Die Relaxionszeit eines Protons in gesundem Gewebe unterscheidet sich ein wenig vom Gewebe eines Tumors. Wenn man ein Kontrastmittel, das zum Beispiel auf Gadolinium-Komplexen basiert, einsetzt, ändert sich die Relaxionszeit beträchtlich. Aus diesem Grunde sieht man in der Tumorumgebung einen höheren Kontrast als im normalen Gewebe.  

Was ist das Problem mit den gebräuchlichen Kontrastmitteln?

Palivan: Normale, freie Gadolinium-Ionen sind sehr giftig. Deshalb ist das Ziel der Chemiker, Gadolinium mit anderen Liganden zu komplexieren, um ungiftige, stabile Komplexe zu erhalten. Zum Beispiel gibt es das Kontrastmittel Dotarem, bei welchem ein kleiner Ligand an Gadolinium angehängt wird. Die Qualität des Kontrastmittels hängt auch von der Bewegung dieser Komplexe ab. Wenn diese sich langsamer bewegen, ist der Kontrast stärker. Aus diesem Grunde Forschungsgruppen Gadolinium beispielsweise mit Polymeren. Diese Komplexe bewegen sich langsamer und ermöglichen so einen höheren MRT-Kontrast.

Mit unserer Forschung sind wir einen Schritt weitergegangen und haben Gadolinium-Ionen mit Nanopartikeln komplexiert, sodass der Kontrast im Vergleich zu Dotarem zehnmal höher ist.

Bild: Die linke Graphic zeigt einen grauen Ball, an dem rote Punkte und grüne und blaue Fäden angefügt sind. In der rechten Graphik sind die blauen Fäden abgelöst; Copyright: Cornelia Palivan et al.

Die Graphik zeigt, wie das Kontrastmittel funktioniert. Im linken Bild bilden das Gadolinium (rot), das Heparin (grün) und die Peptide (blau) einen Komplex. Nach der Zusetzung eines Reduktionsmittels, lösen sich die Peptide ab; © Cornelia Palivan et al.

Was sind das für Nanopartikel, die Sie in Ihrem Forschungsprojekt als Kontrastmittel erzeugt haben? Woraus bestehen sie?

Palivan: Diese Kontrastmittel sind Nanopartikel, die wir durch eine Kombination von Heparin-Polymeren, Gadolinium-Ionen und funktionalen Peptiden erhalten haben. Diese Nanopartikel wurden entworfen, um mehrere Eigenschaften zu vereinen: (i) eine lange Blutzirkulation der Nanopartikel aufgrund der Auswahl des Heparin-Polymer-Systems, (ii) ein erhöhter Kontrast in einer MRT aufgrund der Präsenz von Gd3+ in einer koordinierten Form, um Giftigkeit zu vermeiden und (iii) wegen der reduktionssensitiven Peptide eine Reaktionsfähigkeit der Nanopartikel auf ihre biochemische Umgebung. In einer reduktiven Umgebung werden die Peptide von den Nanopartikel abgelöst, sodass die Anbindung von Gd3+ an Wassermoleküle sich erhöht. Dadurch steigt auch der MRT-Kontrast.  

Ein zweiter Vorteil ist die Tatsache, dass wir an jedem Nanopartikel eine hohe Gadoliniumkonzentration lokalisieren können. Das bedeutet, dass wir dieses Kontrastmittel in der Region lokalisieren können, in der es notwendig ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Kontrastmittel ungiftig ist. Wenn Leute etwas über Nanopartikel hören, denken viele sofort, dass diese gefährlich seien. Das gilt allerdings nur für anorganische Nanopartikel. Doch die Nanopartikel, die wir nutzen, sind organisch: Sie basieren auf Polymeren, Heparin und Peptiden. Wir haben Toxizitätsprüfungen durchgeführt, die belegt haben, dass die Nanopartikel ungiftig sind – ohne und mit angehängten Gadolinium-Ionen. Außerdem rufen die Peptide ein funktionales Verhalten dieses Kontrastmittels hervor: Es zeigt einen höheren MRT-Kontrast in einem reduktiven Zustand, was insbesondere in Regionen mit erhöhtem Reduktionspotenzial der Fall ist, wie beispielsweise in Krebsgewebe.         

 Bild: MRT-Bilder eines Gehirns. Links eine Hand, die einen Stift halt und auf auf ein MRT-Bild zeigt; copyright: panthermedia.net/olegdudko

Je höher der Kontrast, desto detailreicher das MRT-Bild: Die neuen Nanopartikel können im Vergleich zu herkömmlichen Kotnrastmitteln den Kontrast um das zehnfache verbessern. Aber bevor sie in einer Klinik eingesetzt werden können, ist es noch ein langer Weg; ©panthermedia.net/olegdudko

In welchen Rahmen werden die Nanopartikel im Moment eingesetzt? Besteht bereits die Möglichkeit, diese klinisch anzuwenden?

Palivan: Nein, die Nanopartikel als Kontrastmittel befinden sich in einer sehr frühen Forschungsphase, in welcher wir zunächst beweisen, dass die Idee funktioniert. Man muss bedenken, dass für jede Anmeldung, bei der es um Arzneimittel geht, die Zulassungsprozedur sehr lang ist. Jetzt sind wir gerade erst am Anfang. Wir haben die Idee, das System. Wir wissen, dass es funktioniert und dass es ungiftig ist, aber wir müssen erst alle Bedingungen optimieren. Danach folgen Tierversuche. Erst dann, wenn alles in Ordnung ist, können wir weitermachen. In der pharmazeutischen Domäne ist jeder dieser Schritte eine lange Geschichte, da es eine Reihe sehr strenger Limitierungen und Reglementierungen gibt. Wenn all diese Versuche erfolgreich sind, folgt die klinische Prüfung. Aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg.     

Ergeben sich aus den gewonnen Erkenntnissen mögliche Anwendungen in anderen Bereichen, außer in einer MRT?

Palivan: Die Nanopartikel mit Gadolinium sind speziell für die MRT entworfen worden. Aber der große Vorteil dieser Nanopartikel ist, dass, basierend auf der elektrostatischen Interaktion mit Heparin, verschiedene Moleküle angehängt werden können, wie zum Beispiel verschiedene Medikamente. In diesem Fall können wir ein System für die Verabreichung von Medikamenten erhalten. Das bedeutet, dass diese Nanopartikel nicht nur für eine MRT verwendet werden können. Abhängig vom Molekül, das angehängt wird, gibt es einen großen Bereich, in welchem die Nanopartikel Verwendung finden.

Das Interview wurde geführt von Olga Wart.
COMPAMED.de