Medizinische Bildgebung: Biosensor Zymonsäure zeigt pH-Wert-Veränderungen

Neue Einblicke in den Tumorstoffwechsel

Bei einem Magnetresonanz-Experiment mit Tumorzellen fand Dr. Franz Schilling, Physiker an der TUM, vor vier Jahren Signale eines Moleküls, das sehr empfindlich auf pH-Veränderungen reagiert. Dieser Stoff – Zymonsäure, wie sich in weiteren Untersuchungen herausstellte – könnte in Zukunft für die medizinische Bildgebung eine wichtige Rolle spielen. Als Biosensor für pH-Werte könnte das Molekül Einblicke in den Körper eröffnen, die so bislang nicht möglich waren.

„Mit einer geeigneten pH-Wert-Bildgebung könnte man krankhafte Veränderungen des Gewebes und insbesondere Stoffwechselprozesse von Tumoren sichtbar machen“, erläutert Franz Schilling. Die Umgebung von Tumoren und Entzündungen ist meist etwas saurer als die von gesundem Gewebe und wird in Zusammenhang mit der Aggressivität von Tumoren gebracht. Auch für die Prognose von Behandlungen sieht Schilling Perspektiven: „pH-Werte sind auch interessant, wenn es darum geht, die Wirksamkeit von Tumorbehandlungen zu beurteilen. Noch bevor ein erfolgreich behandelter Tumor kleiner wird, könnte sich sein Stoffwechsel und damit der pH-Wert seiner Umgebung ändern. Durch eine geeignete pH-Bildgebungsmethode wüsste man viel früher, ob man den richtigen Ansatz gewählt hat.“

Schilling leitet mittlerweile die Arbeitsgruppe für Präklinische Bildgebung und Medizinische Physik an der Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin des Klinikums rechts der Isar der TUM. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Physik, Chemie und Medizin hat er in den vergangenen Jahren an Zymonsäure als Biosensor geforscht. Im Fachmagazin „Nature Communications“ beschreibt das Team, wie damit pH-Werte im Körper von Kleintieren zuverlässig dargestellt werden können.

MRT-Untersuchung unter Zeitdruck

Um pH-Werte mithilfe von Zymonsäure sichtbar zu machen, wird das Molekül in den Körper injiziert und dann eine Magnetresonanztomographie (MRT) des zu untersuchenden Gewebes erstellt. Sehr vereinfacht gesagt, werden dabei in einem starken Magnetfeld die Kernspins der Zymonsäure mit Radiowellen zu Schwingungen angeregt. Die Reaktion der Kerne wird anschließend aufgezeichnet. Aus diesen Daten errechnet man Frequenzspektren, die wiederum Aufschluss über die chemischen Eigenschaften der molekularen Umgebung der Kerne geben. Anhand von pH-abhängigen molekularen Veränderungen der Zymonsäure lässt sich schließlich der pH-Wert an jedem untersuchten Punkt des Gewebes darstellen.

Damit sie auf MRT-Aufnahmen sichtbar wird, muss die Zymonsäure mit Kohlenstoff 13 markiert werden. Das bedeutet, dass die Moleküle anstelle der „normalen“ Kohlenstoff 12-Atome Kohlenstoff 13-Atome (13C) enthalten. Doch auch auf diese Weise markierte Zymonsäure ist noch nicht messbar – ihr MRT-Signal ist zu schwach. „Wir nutzen deswegen ein relativ neues Verfahren, die Hyperpolarisation“, erläutert Stephan Düwel, Physiker und Erstautor der Studie. „Dabei übertragen wir mit einem speziellen Gerät bei sehr niedrigen Temperaturen mit Hilfe von Mikrowellen die Polarisation von Elektronen auf die 13C-Atomkerne und verstärken dadurch das MRT-Signal bis zu 100.000-fach.“ Die Zymonsäure wird dann mithilfe heißer Flüssigkeit in kurzer Zeit wieder auf Raumtemperatur gebracht.

Dann muss alles sehr schnell gehen: Der Biosensor wird intravenös in den zu untersuchenden Organismus gespritzt. Für die Aufnahme mit dem MRT-Gerät bleiben gerade einmal 60 Sekunden, bevor der signalverstärkende Effekt durch die Hyperpolarisation wieder abgeklungen ist. „Wir arbeiten derzeit daran, dieses Zeitfenster zu vergrößern“, sagt Düwel. „Dabei versuchen wir zum einen, die MRT-Eigenschaften von Zymonsäure durch geeignete Veränderungen an dem Molekül zu verbessern, und zum anderen, weitere pH-sensitive Moleküle zu finden“, erläutert der Biochemiker Christian Hundshammer, Zweitautor der Studie.

Vorteile gegenüber anderen Ansätzen

Franz Schilling und sein Team konnten zeigen, dass ihre Methode empfindlich genug ist, um medizinisch relevante Veränderungen des pH-Wertes im Organismus abzubilden. Mit Zymonsäure lässt sich außerdem gezielt der pH-Wert außerhalb der Zellmembran untersuchen, während bei anderen Biosensoren unklar ist, ob gemessene Veränderungen innerhalb oder außerhalb der Zelle (intrazellulär oder extrazellulär) stattfinden. Das ist wichtig, da der intrazelluläre Wert üblicherweise stabil ist, während der extrazelluläre viel stärker von Stoffwechselveränderungen beeinflusst wird.

Anders als bei optischen Verfahren, die aufgrund der geringen Lichtdurchlässigkeit von Gewebe nur oberflächlich in den Körper eindringen können, gibt es bei der MRT keine Begrenzungen bezüglich der Eindringtiefe. Zudem wurde gezeigt, dass Zymonsäure in den in Kleintieren verwendeten Konzentrationen ungiftig ist und auch in geringen Konzentrationen als Nebenprodukt des im Körper vorhandenen Stoffwechselprodukts Brenztraubensäure entsteht.

„Wir glauben, dass Zymonsäure ein vielversprechender Biosensor für die Anwendung bei Patienten ist“, sagt Franz Schilling. Zunächst sind allerdings weitere präklinische Studien geplant, um die Vorteile dieses neuen bildgebenden Biomarkers gegenüber konventionellen Verfahren herauszustellen und die räumliche Auflösung der pH-Bildgebung weiter zu verbessern.

Die Forschungsarbeiten werden im Rahmen des SFB824 „Bildgebung zur Selektion, Überwachung und Individualisierung der Krebstherapie“ unter der Leitung von Prof. Markus Schwaiger durchgeführt.

Publikationen:

S. Düwel, C. Hundshammer, M. Gersch, B. Feuerecker, K. Steiger, A. Buck, A. Walch, A. Haase, S. J. Glaser, M. Schwaiger, F. Schilling, "Imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labeled zymonic acid". Nature Communications (2017). Doi: 10.1038/NCOMMS15126

F. Schilling, S. Düwel, U. Köllisch, M. Durst, R.F. Schulte, S.J. Glaser, A. Haase, A.M. Otto, M.I. menzel. "Diffusion of hyperpolarized 13C-metabolites in tumor cell spheroids using real-time NMR spectroscopy". NMR Biomed., 26:5 (2012) 557–568. doi:10.1002/nbm.2892

Mehr Informationen:

Beteiligte Professuren:

Prof. Dr. Steffen J. Glaser, Lehrstuhl für Organische Chemie

Prof. Dr. Markus Schwaiger, Lehrstuhl für Nuklearmedizin

Prof. Dr. Axel Haase, Forschungsprofessur für Biomedical Engineering

Kontakt:

Dr. rer. nat. Franz Schilling
Director of Preclinical Imaging
Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin
Klinikum rechts der Isar
Technische Universität München
Tel: +49 (0) 89 4140 4586
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