MR-Spektroskopie und CEST-Bildgebung

Metaboliten mit geringer Molekülmasse (z. B. Kreatin und Glukose), Proteine und andere makromolekulare Strukturen tragen an ihrer Oberfläche schwach gebundene Protonen (1H-Kerne), die mit Protonen in benachbarten Wassermolekülen austauschen können. Dieser Prozess, der als chemischer Austausch (CE) bezeichnet wird, findet spontan statt und hängt von der Konzentration, dem pH-Wert, der Temperatur und anderen Eigenschaften der Lösung ab.

Austauschende Protonen können im 1H-NMR-Spektrum bei unterschiedlichen Frequenzen („chemische Verschiebungen“) mitschwingen. Daher können sie selektiv markiert werden (z. B. durch resonante Hochfrequenzbestrahlung), um eine gleichmäßige Verteilung der beiden 1H-Spinzustände in einem Magnetfeld zu erreichen - diese Technik wird als Sättigung bezeichnet. Durch chemischen Austausch wird diese Information in den Wasserpool gepumpt. Die fortlaufende Bestrahlung akkumuliert die Sättigung im Wasserpool und erzeugt den CEST-Effekt (chemical exchange saturation transfer), d. h. eine nachweisbare Verringerung des NMR-Signals der Wasserprotonen. Der Verstärkungseffekt kann mehrere Größenordnungen ausmachen. Im Gegensatz zur konventionellen NMR-Spektroskopie (MRS), die das Signal fest gebundener, also unveränderlicher Kerne (1H, 13C, 19F, 31P...) erfasst, nutzt CEST das Wassersignal, um indirekt das Signal schwach gebundener Protonen in Biomolekülen zu erfassen.

Wenn CEST mit MR-Bildgebungsverfahren (MRI) kombiniert wird, können verschiedene Einheiten zellulärer Verbindungen - wie in der Abbildung dargestellt - in lebendem Gewebe (in vivo) mit einer mit der herkömmlichen MRT vergleichbaren Empfindlichkeit gescannt werden. Seit der Entdeckung des Phänomens im Jahr 2000 wurde die CEST-MRI für die diagnostische Bildgebung bei verschiedenen Krankheiten (z. B. Tumoren, Schlaganfall, neurodegenerative Erkrankungen) eingesetzt. Diese Studien ergaben neue Informationen über diese Krankheiten auf molekularer Ebene.