Hyperpolarisierte MR-Bildgebung mit Kohlenstoff-13-Pyruvat im menschlichen Körper (POLARIC-13)

Die Positronenemissionstomographie mit 18F-Fluordesoxyglucose (FDG) ist das herkömmliche bildgebende Verfahren zur Bereitstellung von Informationen über die Glukoseaufnahme im Gewebe und hat sich klinisch als äußerst erfolgreich erwiesen. Der Downstream-Metabolismus kann jedoch nicht beurteilt werden, was bei der Diagnose und Beurteilung des Behandlungsansprechens bei einer Vielzahl von Krankheiten hilfreich sein kann. Patienten werden auch ionisierender Strahlung ausgesetzt. Die Höhe der Belastung kann je nach der verabreichten Tracer-Dosis, der Häufigkeit der Scans und der Dauer jedes Scans variieren.

Die Kohlenstoff 13 (13C)-Magnetresonanztomographie (MRT) ist für die Stoffwechselbildgebung besonders attraktiv, da Kohlenstoff als Rückgrat fast aller organischen Moleküle im Körper dient. Allerdings hat die geringe natürliche Häufigkeit des 13C-Isotops von etwa 1,1 % die In-vivo-Bildgebung zu einer äußerst schwierigen Aufgabe gemacht. Um das MR-Signal von 13C-Kernen zu verbessern, werden Sonden synthetisch angereichert, um die Konzentration der 13C-Markierung in einem Molekül zu erhöhen. Das MRT-Signal kann durch den Prozess der Hyperpolarisation weiter erhöht werden. Bei niedriger Temperatur und hohem Magnetfeld weisen Elektronen einen sehr hohen Grad an Polarisation auf (dh fast alle Elektronen sind in die gleiche Richtung ausgerichtet). Dieser hohe Polarisationsgrad kann auf 13C-markierte Sonden übertragen werden, wodurch deren MRT-Signale erhöht werden. Diese Polarisationsübertragung wird erreicht, indem Radikale (eine Quelle freier Elektronen) mit der/den 13C-markierten Sonde(n) gemischt werden, die hyperpolarisiert werden sollen, und die Mischung in einen Polarisator bei einem Magnetfeld von typischerweise 3,0–5,0 gegeben wird T und bei einer niedrigen Temperatur (ca. 1 K). Anschließend wird Mikrowellenbestrahlung angewendet, um die Polarisation von ungepaarten Elektronen in einem Tritylradikal auf die 13C-markierte Sonde zu übertragen. Die endgültige Lösung behält ein hohes Maß an Polarisation bei und kann so formuliert werden, dass sie einen physiologischen pH-Wert, eine physiologische Osmolarität und eine physiologische Temperatur für In-vivo-Injektionen und Stoffwechseluntersuchungen aufweist.

Mit dieser Technik erhöht sich die Polarisation auf etwa 30–40 %, was einer Steigerung um mehr als das 10.000- bis 100.000-fache entspricht, wodurch das MRT-Signal dramatisch erhöht wird (Abbildung 1). Das verstärkte Signal ist jedoch typischerweise nur für einen kurzen Zeitraum (1–2 Minuten) verfügbar, da die Polarisation wieder auf ihr thermisches Gleichgewichtsniveau abfällt. Daher ist eine schnelle Bildgebung erforderlich, um Stoffwechseldaten mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis und minimalem Polarisationsverlust zu erfassen und schnelle Stoffwechselprozesse zu messen.

Bisher wurde die hyperpolarisierte Bildgebungstechnik bei mehr als 800 gesunden Freiwilligen und Patienten durchgeführt; und in mehr als 1.200 Studien zu verschiedenen klinischen Bedingungen.

HYPOTHESE UND ZIELE:

Diese Proof-of-Concept-Studie soll die Machbarkeit und Anwendung der hyperpolarisierten 13C-Bildgebung bei gesunden Einwohnern Singapurs und Patienten mit kardiovaskulären/kardiometabolischen Erkrankungen demonstrieren.

1. Es sollten Referenzbereiche für die Stoffwechselprodukte von hyperpolarisiertem 13C-Pyruvat (Laktat, Alanin und Bicarbonat) bei gesunden Probanden festgelegt und die Wiederholbarkeit der hyperpolarisierten 13C-Bildgebungssequenzen untersucht werden.
2. Entwicklung der Anwendung der hyperpolarisierten 13C-Bildgebung bei Patienten mit kardiovaskulären und kardiometabolischen Erkrankungen.