Magnet-Nanopartikel-Monitoring für humane Krebstherapien

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Bereitstellung einer Bildgebungsmodalität für den quantitativen Nachweis von magnetischen Nanopartikeln (MNP) für die diagnostische Begleitung von MNP-basierten Krebstherapien. In diesen neuartigen Behandlungsansätzen werden mittels der MNP medizinische Wirkstoffe gezielt zum Tumor transportiert (Magnetisches Drug Targeting) oder mittels MNP wird lokal eingegrenzt Wärme zur Bekämpfung von Krebszellen erzeugt (Magnetische Hyperthermie). Der quantitative bildgebende Nachweis der MNP-Verteilung im menschlichen Körper ist dabei essentiell für die Bewertung und individuelle Steuerung des Therapieverlaufs. Mit dem Messverfahren der Magnetrelaxometrie (MRX) steht hierfür eine ausgereifte Messtechnik zur Verfügung, die bereits in präklinischen Anwendungen ihre prinzipielle Eignung für den sensitiven und spezifischen Nachweis von MNP im Gewebe demonstriert hat. Darauf aufbauend soll in diesem Projekt die erforderliche Technik so weiterentwickelt werden, dass MNP-Verteilungen in spezifischen Körperregionen des Menschen wie Gehirn, Prostata, Lymphknoten, Magen-Darmtrakt, Lunge oder in den Extremitäten quantitativ abgebildet werden können. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Etablierung von Verfahren zur zeitnahen Darstellung von MNP- Verteilungen unmittelbar während oder nach den MRX-Messungen (Online-Monitoring). Dafür sind neuartige Ansätze für die Datenverarbeitung und die Rekonstruktion der Verteilungen mit hoher räumlicher Auflösung bei gleichzeitiger substantieller Reduktion der Rechenzeit zu realisieren. Weiterhin sollen Ansätze zur multimodalen Integration der quantitativen MNP-Verteilung und der zugehörigen anatomischen Struktur des untersuchten Köperbereichs entwickelt werden, wobei die anatomischen Daten durch etablierte Verfahren wie CT, MRT oder Laserscannen der Körperoberfläche gewonnen werden. Ein weiteres Aufgabengebiet in diesem Projekt besteht in der Untersuchung der Möglichkeiten der MRX-Bildgebung zur Darstellung molekularer Veränderungen im Körper. Die MRX-Signale enthalten Information über die lokale Viskosität in der unmittelbaren Umgebung der MNP. Diese Information lässt sich ebenfalls bildgebend darstellen und zur Untersuchung physiologischer Prozesse im Körper nutzen. Im vorliegenden Projekt sollen für die Evaluierung der MRX-Bildgebung spezielle Körperteilphantome entwickelt werden, die physiologische und physikalische Parameter in ausgewählten Therapieszenarien abbilden und definiert mit MNP beladen werden können. Diese Untersuchungen werden in enger Kooperation mit unseren klinischen Partnern durchgeführt, um die medizinische Relevanz sicherzustellen und die klinischen Anforderungen und Bedürfnisse an die Bildgebungsmodalität aus medizinischer Sicht zu berücksichtigen. Mit Erreichen der Projektziele sollen alle technischen Voraussetzungen erfüllt sein, um die MRX- Bildgebung von MNP in neuen MNP-basierten Krebstherapien im Menschen anwenden zu können.

Magnetische Nanopartikel (MNP) versprechen neuartige Anwendungen für die medizinische Diagnostik und Therapie. In diesen neuartigen Behandlungsansätzen werden mittels der Nanopartikel medizinische Wirkstoffe gezielt zum Tumor transportiert (Magnetisches Drug Targeting) oder mittels lokal eingegrenzt Wärme zur Bekämpfung von Krebszellen erzeugt (Magnetische Hyperthermie). Der quantitative bildgebende Nachweis der MNP-Verteilung im menschlichen Körper ist dabei essenziell für die Bewertung und individuelle Steuerung des Therapieverlaufs und damit für die Sicherheit und Effektivität der Behandlung. Ziel des Forschungsprojektes "quantMRX - Magnetic nanoparticle monitoring for human cancer therapies" war die Entwicklung und Bereitstellung einer Bildgebungsmodalität für den quantitativen Nachweis von magnetischen Nanopartikeln zur diagnostischen Begleitung von MNP-basierten Krebstherapien. Mit dem Messverfahren der Magnetrelaxometrie (MRX) steht hierfür eine ausgereifte Messtechnik zur Verfügung. Dabei werden die magnetischen Nanopartikel mit Hilfe eines Anregungsfeldes ausgerichtet, nach Abschalten des Felds kann der Zerfall dieser Magnetisierung gemessen werden. Aus der Messung an verschiedenen Sensorpositionen und mit unterschiedlichen inhomogenen Anregungsfeldern kann die Verteilung der Partikel mit Hilfe mathematischer Algorithmen rekonstruiert werden. Die prinzipielle Eignung der MRX-Bildgebung für den sensitiven und spezifischen Nachweis von magnetischen Nanopartikeln im Gewebe wurde bereits in präklinischen Anwendungen demonstriert. Darauf aufbauend wurde in diesem Projekt die erforderliche Technik so weiterentwickelt, dass Verteilungen magnetischer Nanopartikel in spezifischen Körperregionen des Menschen wie Gehirn und Torso quantitativ abgebildet werden können. Für die dafür notwendige Vergrößerung des abbildbaren Volumens auf menschliche Dimensionen wurden neuartige optimierte Anregungsspulen-Designs und Anregungsmuster entwickelt, die die Abbildung menschlicher Körperteile mit einer angemessenen räumlichen Auflösung im Bereich von wenigen Minuten ermöglichen. Darüber hinaus wurden die mathematischen Algorithmen dahingehend weiterentwickelt, dass sie das nichtlineare Verhalten der Partikel bei höheren Magnetfeldstärken, die für deren Detektion in großen Volumina notwendig sind, korrekt abbilden. Die neuartigen Ansätze wurden im Projekt sowohl mit einem etablierten Messaufbau unter Verwendung von mit flüssigem Helium gekühlten supraleitenden Quanteninterferenzsensoren (SQUIDs) als auch mit einem neuartigen Aufbau unter Verwendung von mehrkanaligen optisch gepumpten Magnetometern (OPMs) umgesetzt. Letztere benötigen keine Kühlung und sind daher flexibler in der Positionierung. In Pilot-Experimenten wurde die technische Machbarkeit einer Vergrößerung des abbildbaren Volumens der MRX-Bildgebung sowohl für die Größe des menschlichen Kopfes als auch für die Größe des menschlichen Rumpfes unter Nutzung speziell entwickelter Körperteilphantome erfolgreich demonstriert. Weiterhin wurden Ansätze zur multimodalen Integration der quantitativen Nanopartikel-Verteilung und der zugehörigen anatomischen Struktur des untersuchten Köperbereichs durch etablierte Verfahren wie Computertomografie oder Magnetresonanztomografie realisiert. Mit diesem Projekt wurden die technologischen Grundlagen gelegt, um die entwickelte Technologie in einem nächsten Schritt im Rahmen erster klinischer Studien einzusetzen.