Magnetpartikelbildgebung (MPI)
Die Magnetpartikelbildgebung (MPI) ist eine innovative medizinische Bildgebungstechnologie, die die räumliche Verteilung von Superparamagnetischen Eisenoxid Nanopartikeln (SPIONs) mit hoher Auflösung und in Echtzeit darstellen kann. Die SPIONs werden mit einem dynamischen Magnetfeld angeregt und ihre Antwort – die proportional zur Konzentration der SPIONs ist – wird aufgezeichnet. Örtliche Kodierung des Partikelsignals wird erreicht, indem ein magnetisches Gradientenfeld überlagert wird, welches im Zentrum einen feldfreien Punkt (FFP) aufweist. Partikel, die sich außerhalb des FFP befinden, sind in Saturierung, sodass nur Partikel, die sich in der Nähe des FFP aufhalten, zum Signal beitragen können. MPI zeichnet sich durch seine hohe Empfindlichkeit und spezifische Kontrastierung aus, wodurch es möglich ist, Zielstrukturen präzise darzustellen. Durch den Einsatz von nicht-ionisierender Strahlung bietet diese Technik zudem eine sichere Alternative zu herkömmlichen bildgebenden Verfahren wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der Computertomographie (CT).
Unsere Gruppe ist einer der wenigen Standorte weltweit, der Zugang zu einem kommerziellen präklinischen MPI Gerät hat, dass dynamische Bildgebung mit bis zu 46 Volumen pro Sekunde ermöglicht.
Projekte
Multi-Frequenz Magnetpartikelbildgeung
Das Projekt konzentriert sich auf die Simulation, den Aufbau und die Evaluierung einer neuartigen In-vivo-Bildgebungsmethode für Nanomedizin, die auf dem Magnetic Particle Imaging (MPI) basiert. Ziel dieser neuen Methode ist es, die Wirkstofffreisetzung von Therapeutika in vivo für den Bereich der Nanotherapie zu quantifizieren, um den Erfolg der Nanotherapie im Allgemeinen vorhersagen und optimieren zu können. Derzeit basiert MPI auf der ortsaufgelösten Messung der nichtlinearen Verzerrung, die bei der monofrequenten Anregung von superparamagnetischen Nanopartikeln (SPIONs) auftritt. Im Rahmen dieses Projekts wird dieser Ansatz erweitert, indem eine Mehrfrequenzanregung ermöglicht wird und dadurch die Relaxationseigenschaften (Neel und Brownsche Relaxation) der SPIONs in-vivo gemessen werden können. Dieser Ansatz würde es ermöglichen, zirkulierende SPIONs von Partikeln mit eingeschränkter Rotation zu unterscheiden, wodurch die Möglichkeit gegeben würde, den Enhanced Permeability and Retention (EPR) Effekt sowie die Aufnahme des Nanotherapeutikums in die Zellen in vivo zu quantifizieren. Das Projekt beinhaltet den Aufbau und die Evaluierung eines neuartigen Feldgenerators, die gesamte notwendige Softwareumgebung zur Erzeugung und Messung verschiedener Anregungswellenformen sowie die quantitative Rekonstruktion der Relaxationsparameter, aus denen weitere biologisch relevante Parameter (z.B. Bindungsstatus und Viskosität, pH-Wert) und Temperatur der Umgebung) abgeleitet werden können.
Der Prototyp eines eindimensionalen Multifrequenz-MPI-Scanners
Der passive dual coil resonator (pDCR)
Die Magnetpartikel-Bildgebung (MPI) ist eine neue, auf Tracer basierende Bildgebungstechnologie, mit der die räumliche Verteilung von superparamagnetischen Nanopartikeln auf Eisenoxidbasis (SPIONs) in vivo bestimmt werden kann. SPIONs sind einzelne magnetische Domänenpartikel, die sich durch eine nichtlineare Magnetisierungsreaktion auf externe Magnetfeldänderungen auszeichnen. MPI bietet eine räumliche Auflösung im Submillimeterbereich und eine hervorragende zeitliche Auflösung mit mehreren zehn Volumina pro Sekunde. Während bisher kommerziell erhältliche Geräte nur für präklinische und Forschungszwecke konzipiert sind, hat die MPI aufgrund ihrer quantitativen, tiefenunabhängigen, nicht-invasiven und strahlungsfreien Natur ein großes Potenzial, ein klinisches Werkzeug zu werden. Für die klinische Umsetzung sind weitere Fortschritte in den Bereichen Empfindlichkeit, räumliche Auflösung und Tracerleistung erforderlich. Derzeit können die Empfindlichkeit und Bildauflösung präklinischer MPI-Systeme durch spezielle Empfangsspulen mit separat abgestimmter Empfangselektronik verbessert werden. Die niedrigste gemeldete Eisen-Nachweisgrenze von 2,8 μmol(Fe)/l wurde mit einer hochempfindlichen gradiometrischen Empfangsspule in Kombination mit einem Rauschabgleich-Netzwerk erreicht. Dies übersteigt jedoch immer noch die vorhergesagte Eisen-Nachweisgrenze von 0,1-1 μmol(Fe)/l um etwa eine Größenordnung. Neben Hardware-Problemen (z. B. Abschirmung, Signalverstärkung, Hintergrunddrift) und der Notwendigkeit einer MPI-spezifischen Tracer-Optimierung ist ein Hauptgrund für die beobachtete Abweichung von der vorhergesagten Nachweisgrenze das systematische und stochastische Rauschen im Messvektor und in der Kalibrierungsmessung. In diesem Projektvorschlag schlagen wir einen kosteneffektiven, handlichen und rein passiven Spuleneinsatz vor, der eine frequenzselektive Signalverbesserung bietet, anstatt eine spezielle Empfangsspule mit einer separaten und angepassten Empfangskette zu verwenden. Der passive Doppelspulenresonator ist so konzipiert, dass er in die Bohrung eines präklinischen MPI-Scanners passt. Wir stellen die Hypothese auf, dass das vorgestellte Konzept genutzt werden kann, um die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zukünftiger MPI-Messungen über Multi-Resonanz- und Multi-Kanal-Konfigurationen massiv zu erhöhen. Dieser DFG-Antrag zielt darauf ab, diese Hypothese systematisch zu untersuchen.
