Magnetresonanztomographie, abgekürzt MRT, liefert detailreiche Bilder aus dem Inneren des Körpers. Für die Diagnose und die Planung der Behandlung vieler Krebserkrankungen ist es ein unerlässliches Verfahren, das keine Strahlenbelastung für den Körper mit sich bringt, weil es mit Magnetfeldern und energiearmen Radiowellen auskommt. Krankhafte Veränderungen wie zum Beispiel Tumore lassen sich in MRT-Bildern von gesundem Gewebe deutlich abgrenzen.
Für den notwendigen Kontrast der MRT-Bilder sorgt das Element Gadolinium, das in den Kontrastmitteln in einem sogenannten Chelat-Molekül wie in einem molekularen Käfig sicher eingeschlossen ist. Aufgrund seiner besonderen magnetischen Eigenschaften wechselwirkt Gadolinium im Magnetresonanztomographen mit Wassermolekülen im Körper. Bestimmte wasserreiche Gewebe werden so heller abgebildet, was Kontraste in der Bildgebung erzeugt.
Bei knapp der Hälfte aller MRT-Untersuchungen kommen Gadolinium-basierte Kontrastmittel zum Einsatz. Diese werden nach der Untersuchung über die Nieren im Urin ausgeschieden und gelangen ins Abwasser. Dort bleibt Gadolinium zwar auf Dauer in seinem Chelat-Käfig gebunden. „Wir sehen dennoch die dringende Notwendigkeit, Grundlagen für neue und empfindliche Analysemethoden zu schaffen, mit denen wir Gadolinium aus Kontrastmitteln, aber auch aus industriellen Prozessen, in der Umwelt nachverfolgen können“, erklärt Leif Schröder, DKFZ, der die Studie geleitet hat.
Messung von Gadolinium bis in den mikromolaren Bereich
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kombinierten zwei Effekte. Zum einen nutzten sie hyperpolarisiertes Xenon, ein stark magnetisiertes Edelgas, das von einem anderen Typ Käfig umschlossen wird und Signale im MRT ergibt. Dabei dient der Kernspin des Xenons als Quantensensor und zeigt zwei unterschiedliche Signale für das in den Käfigmolekülen gebundene Xenon und das freie Xenon in der Lösung. Zum anderen verdrängt Gadolinium das Xenon aus dessen Käfig, so dass das zugehörige Xenon-Signal kleiner wird und schließlich ganz verschwindet.
„Anhand der Reduktion des Xenon-Signals konnten wir die Konzentration des Gadoliniums außerhalb des Käfigs bestimmen“, sagt Hannah Gerbeth, Erstautorin der Studie. Das DKFZ-Forscherteam fand, dass Gadolinium-Bestimmungen im mikromolaren Bereich möglich sind. Das macht das Käfigmolekül unter den Bedingungen des Experiments zu einem hochempfindlichen Sensor für Gadolinium. „Diese Entdeckung zeigt, dass die besonderen Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen Gadolinium, Xenon und dem Käfig einen empfindlicheren Nachweis ermöglicht, als es in früheren Forschungsarbeiten mit MRT möglich war“, sagt Leif Schröder.
Die Methode, mit der sich freies Gadolinium von chelatgebundenen Formen unterscheiden lässt, könnte dazu beitragen, die Anwendung in der Klinik und die Detektion von gadoliniumhaltigen Substanzen in der Umwelt zu verbessern. Die Wissenschaftler wollen künftig den Sensor auf seine Eignung für die Bestimmung von Gadolinium auch in anderen Konzentrationsbereichen testen. Sie beabsichtigen zudem zu untersuchen, ob auch andere Ionen von dem Käfig selektiv gebunden werden und damit den Gadolinium-Sensor stören könnten.
Originalpublikation
Detection of Gd3+ via HyperCEST NMR in a Competition Assay Using Cryptophane-A Monoacid. Sens. Diagn. (2026) 5 (10): 1195–1203, doi.org/10.1039/d6sd00053c.
