Xenon-Kernspintomografie: Krankhafte Veränderungen im Körper sichtbar machen

Die Magnetresonanztomografie ist als bildgebendes Verfahren nicht mehr aus dem klinischen Alltag wegzudenken, denn Organe und Gewebestrukturen können ohne Weiteres sichtbar gemacht werden. Entartete Krebszellen oder kleine Entzündungsherde blieben bisher jedoch fast unsichtbar. Berliner Zellbiologen ist es mit der Xenon-Kernspintomografie gelungen, diesem Problem Abhilfe zu verschaffen.

03.11.2014

 
Foto: Dr. Leif Schröder

Dr. Leif Schröder; ©David Ausserhofer

Dr. Leif Schröder vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) berichtet im Interview mit MEDICA.de, wie die Xenon-Kernspintomografie nicht nur in der Medizin, sondern auch in anderen Gebieten zur Anwendung kommen kann.

Dr. Schröder, wie funktioniert die Xenon-Kernspintomografie?


Leif Schröder: Die Xenon-Kernspintomografie ist eine besondere Weiterentwicklung der herkömmlichen Magnetresonanztomografie. Sie nutzt sogenanntes hyperpolarisiertes Xenon, ein harmloses Edelgas, in Kombination mit einem speziellen Kontrastmittel, um ein stärkeres Signal zu erzeugen. Die Xenonatome werden dafür in einer Laserapparatur in ihren magnetischen Eigenschaften so verändert, dass mit verhältnismäßig wenig Atomen ein sehr starkes Signal erzeugt wird.
Im nächsten Schritt müssen die Xenonatome an bestimmte Zellstrukturen gekoppelt werden. Dieser Schritt ist uns mit einer Art Baukastensystem gelungen, an dessen Entwicklung die Arbeitsgruppe um Christian Freund von der FU Berlin maßgeblich beteiligt war.

Dabei binden Cryptophan-Moleküle, die Bestandteil des verabreichten Kontrastmittels sind, die Xenonatome. Das Xenon wird sozusagen temporär in solch einem Cryptophan-Käfig eingesperrt. Dieser stellt das Bindeglied zwischen einem molekularen Target – also beispielsweise ein Rezeptor auf einer Zelloberfläche – und dem Xenon, was letztendlich detektiert wird, dar. Der Käfig lässt sich somit wiederum leicht als Sonde im menschlichen Körper einsetzen. Das Cryptophan bindet an krankheitsspezifische Marker auf der Zelloberfläche. Das im Käfig temporär gefangene Xenon tritt dann mit den Radiowellen in Resonanz. Wir konnten außerdem zweifarbige Signale erzeugen, indem wir noch eine Alternative zu den Käfigen eingesetzt haben. Das Xenon reagiert dann auf Radiowellen in unterschiedlicher Frequenz, sodass manche Zellen grün und andere rot wiedergegeben werden.

Somit kann die Xenon-Kernspintomografie für eine sehr spezifische Diagnostik eingesetzt werden, die mit anderen MRT-Kontrastmitteln nicht möglich ist, da sie gezielt für verschiedene Marker entwickelt werden kann.

Wie sieht eine Untersuchung mit diesem Verfahren aus?

Schröder:
Zunächst wird das Kontrastmittel verabreicht, das spezifisch an den Marker bindet. Nach einiger Zeit reichert es sich im krankhaften Gewebe an. Im Vergleich zur konventionellen Methode muss dann noch das Xenon zusätzlich verabreicht werden. Das kann über zwei Wege passieren. Einmal über Inhalation. Die Patienten hätten dann ein Gasgemisch einzuatmen, das teilweise Xenon enthält. Oder man kann das Xenon vorab in bestimmten Substanzen wie Blutplasma lösen, die injiziert werden, sodass es sofort in der Blutbahn zur Verfügung steht.

Foto: Dr. Leif Schröder (rechts) und Honor Rose (links) im Labor

Honor Rose (Erstautorin) und Dr. Leif Schröder im Zellkultur-Labor beim Vorbereiten der Experimente. In den Händen hält Schröder dabei ein Modell des Cryptophan-Käfigs; ©Leif Schröder/FMP

Wie hoch ist der Aufwand, ein solches Baukastensystem auf einen spezifischen Marker auszurichten?

Schröder:
Mit diesem Baukastensystem haben wir den Aufwand deutlich verringert. Früher war es so, dass man die Bindungseinheit, die zum Beispiel an einen bestimmten Rezeptor oder über einen Antikörper an ein Antigen binden würde, mit sehr viel chemischem Aufwand an die Cryptophan-Käfige fixieren musste. Dieses Baukastensystem vereinfacht das. Wir haben praktisch ein zentrales Puzzleteil.

Welche krankheitsspezifischen Veränderungen werden mit der Xenon-Kernspintomografie sichtbar gemacht?

Schröder:
Im Prinzip alles, was sich durch einen Antikörper aufspüren lässt, zum Beispiel Membranproteine, die spezifisch für Krebszellen sind. Eine weitere vielversprechende Anwendung wäre die Markierung von arteriosklerotischen Plaques. Momentan entwickeln wir einen Sensor, der spezifisch für Brustkrebs wirkt. Mit dem Kontrastmittel könnte man dann zusätzlich vorab abschätzen, ob eine Therapie mit bestimmten Medikamenten sinnvoll wäre oder nicht.

Das heißt, dass neben dem bildgebenden Verfahren die Xenon-Kernspintomografie auch als Tracking-System für Medikamente genutzt werden könnte?

Schröder:
Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Margitta Dathe haben wir die eingesetzten molekularen Sonden in winzige Liposome verpackt. Wir haben praktisch die leeren Pakete benutzt und daran ein Tracking-System angehängt, um sozusagen eine Art Paketverfolgung vornehmen zu können. Ein Aspekt der Arbeiten aus der Dathe-Gruppe ist es, diese Liposome so zu entwickeln, dass sie im Endeffekt auch mit Wirkstoffen beladen werden können, um diese an bestimmten Zielstrukturen freizusetzen. Wenn man das mit der Bildgebung kombiniert, könnte man sehen, wo diese sogenannten Carriersysteme im Körper gerade sind. Somit hätte man praktisch eine Überwachungsmöglichkeit.

Ein weiteres eher zufälliges Untersuchungsspektrum ergab sich, indem wir beschlossen haben, unsere Methodenentwicklung für neue Kontrastmittel mit Margitta Dathes Erfahrung, was das Markieren der Zellen der Blut-Hirn-Schranke angeht, zu verknüpfen. Es gibt schon länger Bemühungen, Schäden in der Barriere durch bildgebende Diagnostik sichtbar zu machen. Dabei ist herausgekommen, dass wir die Zellen der Blut-Hirn-Schranke tatsächlich markieren können. Das hat einen sehr hohen diagnostischen Wert, denn man weiß, dass die Blut-Hirn-Schranke sich bei bestimmten Krankheiten verändert. Man könnte dann nachvollziehen, ob sie noch intakt ist.

Wie weit ist es noch bis zu einer klinischen Anwendung der Xenon-Kernspintomografie?

Schröder:
Als nächsten Schritt fassen wir Machbarkeitsstudien am Tier ins Auge. Alles Weitere ist schwer abschätzbar. Ein Zulassungsverfahren vom präklinischen zur klinischen Anwendung ist für eine solche komplett neue Methode eine sehr zeitintensive Angelegenheit, worauf wir aber auf lange Sicht hinarbeiten wollen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt müsste man sich dann einen industriellen Partner suchen, der sich für die Vermarktung dieses Produkts bereit erklären würde. An diesem Punkt müsste man entscheiden, wie detailliert man die Entwicklung angeht: Entwickelt man ein Kontrastmittel, das für jede Krebsart spezifisch ist, oder gibt es bestimmte Kombinationsmöglichkeiten, um das Zulassungsverfahren einigermaßen überschaubar zu halten? Ich denke, dass es auch in der Tierdiagnostik genügend Ansätze gibt, da Pharmaunternehmen ausreichend Bedarf für die Tests von neuen Medikamenten haben. Auch dort könnte man mittels Bildgebung die gewünschten Effekte nachweisen.
Foto: Melanie Günther; Copyright: B. Frommann

©B. Frommann

Das Interview führte Melanie Günther.
MEDICA.de