Przełom w diagnostyce MRI

Kerstin Münnemann została wyróżniona Nagrodą Erwina Schrödingera jako część międzynarodowego zespołu. (Zdjęcie: TUK/Koziel)

Rezonans magnetyczny jądrowy (NMR) jest nieinwazyjną metodą obrazowania, która na przykład znajduje zastosowanie w diagnostyce medycznej (rezonans magnetyczny, MRI). Aby uczynić tę metodę bardziej skuteczną, dr rer. nat. Kerstin Münnemann, która prowadzi badania na Wydziale Termodynamiki na TU Kaiserslautern (TUK), jako część międzynarodowego zespołu chemików, fizyków i inżynierów, opracowała nowatorski środek kontrastowy: hiperpolarizowany fumarat. Wspólnie udało im się przedstawić metodologię aż do obrazowania. To interdyscyplinarne osiągnięcie zostało wyróżnione przez Gesellschaft Helmholtza Nagrodą Erwin-Schrödingera 2021, która jest ufundowana kwotą 50 000 euro.

„Rezonans magnetyczny jądrowy nie ingeruje w ciało i nie wymaga promieniowania rentgenowskiego ani jonizującego,” wyjaśnia Münnemann, która w przyszłości będzie kontynuować swoją pracę w nowym laboratorium LASE (Laboratorium Zaawansowanej Inżynierii Spinów) na TUK. „Dlatego NMR jest zasadniczo – w przeciwieństwie do innych metod obrazowania, takich jak tomografia komputerowa – odpowiedni do długoterminowego monitorowania pacjentów. Na przykład, gdy chodzi o ciągłe nadzorowanie przebiegu lub skuteczności terapii nowotworowej.”

Jednakże istnieje jeszcze pewne „ale”: procesy metaboliczne nie mogą być widoczne, ponieważ cząsteczki biorące udział w tych procesach, które można wykryć za pomocą obrazowania, występują w zbyt małych stężeniach. Innymi słowy, konieczna jest optymalizacja sygnału. W tym zakresie Münnemann wykonała kluczową pracę wstępną: chemiczka od czasu swojej pracy dyplomowej korzysta z różnych metod hiperpolaryzacji, aby magnetycznie i trwałe oznaczać substancje. „Udało mi się, przy użyciu parahydrogenu, izomeru wodoru, wyprodukować hiperpolarizowany fumarat. Fumarat jest składnikiem naturalnego metabolizmu energetycznego w każdej komórce i jest więc bezpieczny fizjologicznie. W stanie hiperpolarizowanym cząsteczka ta znajduje się w szczególnie trwałym stanie spinowym. To magnetycznie aktywne fumarat możemy co prawda zobaczyć za pomocą NMR, ale nie możemy zobaczyć malatu, do którego jest metabolizowane.”

Razem ze swoimi partnerami badawczymi rozwijała tę funkcjonującą z chemicznego punktu widzenia metodę poprzez praktyczne eksperymenty na żywych komórkach, aż do obrazowania. Münnemann: „Hiperpolaryzacja jest już dziś stosowana w niektórych dobrze wyposażonych laboratoriach i klinikach podczas badań MRI. Do tej pory metoda ta była jednak bardzo kosztowna, co uniemożliwiało jej szersze zastosowanie.” Dzięki udoskonalonej technice hiperpolaryzacji, która opiera się nie tylko na naturalnie występującej w ciele cząsteczce, lecz także jest bardziej czuła, szybsza i tańsza, naukowcy położyli fundament pod szersze i bezpieczniejsze wykorzystanie NMR opartego na metabolizmie w diagnostyce medycznej. „Dzięki temu możliwe jest na przykład widoczne zlokalizowanie umierających komórek nowotworowych w trakcie terapii przeciwnowotworowej – jeszcze zanim guz zacznie się kurczyć,” dodaje chemiczka.

O Nagrodzie Erwin-Schrödingera

Nagroda naukowa Fundacji Darczyńców – Nagroda Erwin-Schrödingera – od 1999 roku wyróżnia wybitne osiągnięcia naukowe lub techniczne innowacje, które zostały osiągnięte na pograniczu różnych dziedzin medycyny, nauk przyrodniczych i inżynieryjnych, i w których brało udział co najmniej dwóch różnych obszarów badawczych. Nagroda jest ufundowana do kwoty 50 000 euro. Zazwyczaj jest wręczana oficjalnie corocznie podczas Konferencji Helmholtza.