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CONQUER – innovative Kontrastmittel für den medizinischen Durchblick

Eine radikal neue Diagnostik und therapeutische Behandlungsmethoden – das sind die Schlüsselfaktoren, um den Menschen auch künftig ein gesundes Leben zu ermöglichen. Forschende im Field of Expertise Human & Biotechnology der TU Graz entwickeln gemeinsam mit einem internationalen Konsortium ein smartes Kontrastmittel. Dieses soll in der medizinischen Bildgebung mittels Magnetresonanz eingesetzt werden, um Organe und Gewebe auf einer molekularen Ebene darzustellen. Molekulare Bildgebung spielt eine zunehmend wichtige Rolle bei der Diagnose, dem Verstehen von Krankheiten und der Entwicklung von effektiven Behandlungsmethoden.

In den Körper blicken

Neben Laboruntersuchungen gehören bildgebende Verfahren wie CT und MRT zu den Routineuntersuchungen. Dabei zeichnet sich die MRT durch besonders vielfältige Kontrastmechanismen aus, die es gestatten, nicht nur Gestalt, Lage und Struktur von Körperteilen, Organen und Geweben abzubilden, sondern auch funktionelle Information. Dennoch stoßen diese Verfahren an ihre Grenzen – besonders dann, wenn molekulare und metabolische, das heißt im Stoffwechsel entstandene Veränderungen, mit hoher Auflösung und Sicherheit sichtbar gemacht werden sollen, zum Beispiel bei Krebs, Alzheimer und Herzerkrankungen. Die Sensitivität als Prozentsatz erkrankter Personen, bei denen die jeweilige Krankheit durch die Anwendung des Tests tatsächlich erkannt wird, spielt hierbei eine große Rolle.

Im Rahmen des Forschungsprojekts CONQUER - Kontrast durch quadrupolresonanzbeschleunigte Relaxation entwickeln Forschende der TU Graz völlig neue, smarte Kontrastmittel. In der Magnetresonanztomografie sollen sie eine stark verbesserte molekulare Bildgebung ermöglichen. Mit den neu entwickelten Kontrastmitteln ließen sich auf molekularer Ebene ablaufende Funktionen von Geweben und Organen darstellen, die in der MRT bisher verborgen geblieben sind. Erkrankungen könnten so früher und treffsicherer erkannt werden bzw. deren Entstehung könnte besser geklärt werden.

Wir sehen in unserer Idee die Möglichkeit, tolle neue Kontrastmittel zu entwickeln, mit äußerst wünschenswerten Funktionen. Denkbar ist etwa das gezielte Ein- und Ausschalten von Kontrasten im untersuchtem Gewebe, die Sensitivität  auf den pH-Wert und andere Biomarker, schildert Hermann Scharfetter vom Institut für Medizintechnik der TU Graz.

Noch differenziertere Bilder ermöglichen

Die Magnetresonanztomografie arbeitet mit einem starken Magnetfeld und hochfrequenten elektromagnetischen Feldern. Damit werden die magnetischen Kernmomente von Wasserstoffatomen angeregt und für kurze Zeit aus ihrer Gleichgewichtslage gebracht. Die dadurch in den Empfangsspulen des MRT-Gerätes erzeugten schwachen Signale werden zu Bildern verarbeitet und geben Einblick in Aufbau und Struktur der Gewebe.

Mit der Magnetresonanztomografie können hoch aufgelöste Schnittbilder des Körperinneren erstellt werden. Dieses Werkzeug der klinischen Bildgebung ist jedoch noch weit davon entfernt methodisch und technisch abgeschlossen zu sein, so der Projektleiter. Ziel ist es daher, noch informationsreichere Bilder aus dem Körperinneren anfertigen zu können. Dazu greifen die Forschenden der TU Graz auf einen quantenmechanischen Effekt namens Quadrupolrelaxation zurück.

Quadrupolrelaxation – wenn sich Atome unterschiedlich zurückmelden

Kontrastmittel können die Aussagekraft der gewonnenen Bilder erhöhen. Die Grundannahme der Forschenden ist, dass mit Hilfe der Kreuzrelaxation (das ist eine Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Kernen, die bewirkt, dass die Rückkehr in den Gleichgewichtszustand mit einer anderen Geschwindigkeit erfolgt, als bei nicht wechselwirkenden Kernen) ein äußerst vielseitiger Kontrastmechanismus entsteht.

Hermann Scharfetter erklärt: Sind Moleküle mit Quadrupolkernen in einem bestimmten Gewebe, kann dadurch das erzeugte Signal und somit der Bildkontrast gezielt verändert werden. Im Gegensatz zu konventionellen Kontrastmitteln kann die Wirkung der Quadrupolkerne durch eine geeignete Messung, aber auch durch chemische Prozesse ein- oder ausgeschaltet werden. 
Die Forschenden stehen vor der Herausforderung, die chemischen Verbindungen der Quadrupolkerne so zu designen, dass ihre Resonanzfrequenz in der Nähe der Zielfrequenz für die klinische Magnetresonanztomografie liegt.

Bildquelle: Lunghammer – TU Graz

Mit einem ausgeschlachteten Mikrowellenherd, einer zweckentfremdeten Katzenfutterdose und scheinbarem Elektroschrott hat das Forschertrio Stefan Spirk, Hermann Scharfetter und Andreas Petrovic (von links) in monatelanger Tüftelei an der TU Graz einen ersten Prototypen für ein spezielles Kernquadrupol-Resonanzspektrometer zur Messung des feinen Atomsignals realisiert.

Bildquelle: Hermann Scharfetter
Hermann Scharfetter, ao. Professor am Institut für Medizintechnik

Es gibt für mich kaum etwas (Ent-)Spannenderes, als mich mit meinem hervorragenden Team ins Labor zurückzuziehen, um mit Muße das nächste herausfordernde Experiment auszutüfteln.

Bildquelle: Lunghammer – TU Graz
Andreas Petrovic, Projektmitarbeiter

Das alles erfordert exzellente wissenschaftliche Fachkompetenz in Bereichen der Quantenphysik, Chemie, des Biomedical Engineering bis hin zur Toxikologie und ist nur im interdisziplinären Team, wie wir es hier bilden konnten, möglich.

Bildquelle: Hermann Scharfetter – TU Graz

Im Quadrupolresonanz-Labor des Instituts für Medizintechnik diskutieren die am Projekt beteiligten Forscher und Forscherinnen Christian Gösweiner, Roland Fischer und Michaela Flock (von links) gerade das Spektrum einer neu synthetisierten Verbindung mit Quadrupolkern.

Bildquelle: Lunghammer – TU Graz
Stefan Spirk, Projektmitarbeiter

Eine der treibenden Kräfte, die dieses Team antreiben, ist die schiere Neugierde, komplettes wissenschaftliches Neuland zu betreten und es zu erforschen.

Versuche am Meganteresonanz-Gerät, Bildquelle: Lunghammer – TU Graz

Die Forschenden und ihre internationalen Partnerinnen und Partner

  • designen quantenmechanische und -chemische Modelle.
  • vereinigen die Kernkomponenten und die sie tragenden Nanopartikel.
  • charakterisieren Kernkomponenten und Nanopartikel detailliert.
  • erproben die Ergebnisse an Zellkulturen im 3-Tesla-Hochfeld-MR-Tomografen der TU Graz.

Kontakt

Institut für Medizintechnik
Stremayrgasse 16/III
8010 Graz
www.tugraz.at/institute/imt

Hermann SCHARFETTER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Koordinator FETopen Projekt CONQUER
Tel.: +43 316 873 35404
hermann.scharfetternoSpam@tugraz.at

Bildquelle: Lunghammer – TU Graz

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren die Forschenden des Bereichs CONQUER im Field of Expertise Human & Biotechnology der TU Graz national und international mit zahlreichen Forschungseinrichtungen.

    Internationale Kooperationen

    • Heinz Amenitsch, Österreichische Synchrotron-Beamline von Elettra in Triest, Italien
    • Danuta Kruk, Universität von Warmia und Mazury, Polen
    • Karin Stana-Kleinschek, Universität Maribor
    • Per Olof Westlund, Universität von Umea, Schweden

    Nationale Kooperationen

    • Institut für Anorganische Chemie, TU Graz
    • Institut für Chemische Technologie von Materialien, TU Graz
    • Institut für Medizintechnik, TU Graz
    • NAWI Graz
    • Zentrum für Medizinische Forschung, Core-Facility Mikroskopie, Med Uni Graz