Nanomaterials for hyperpolarized nuclear magnetic resonance and magnetic resonance imaging

Abstract

Nanomaterials play an important role in the development and application of hyperpolarized materials for magnetic resonance imaging (MRI). In this context they can not only act as hyperpolarized materials which are directly imaged but also play a role as carriers for hyperpolarized gases and catalysts for para-hydrogen induced polarization (PHIP) to generate hyperpolarized substrates for metabolic imaging. Those three application possibilities are discussed, focusing on carbon-based materials for the directly imaged particles.An overview over recent developments in all three fields is given, including the early developments in each field as well as important steps towards applications in MRI, such as making the initially developed methods more biocompatible and first imaging experiments with spatial resolution in either phantoms or in vivo studies. Focusing on the important features nanomaterials need to display to be applicable in the MRI context, a wide range of different approaches to that extent is covered, giving the reader a general idea of different possibilities as well as recent developments in those different fields of hyperpolarized magnetic resonance.

In vivo‐Stoffwechselbildgebung mit [1‐13C]Pyruvat‐d3, hyperpolarisiert durch reversiblen Austausch mit Parawasserstoff**

“…Es werden nicht-radioaktive molekulare Kontrastmittel benötigt, die tiefere Einblicke in den abweichenden Stoffwechsel bei schnellerer Scanzeit ermöglichen. Die hyperpolarisierte (HP) [1- 13 C]Pyruvat-MRT hat sich als vielversprechend für die nicht-invasive, nicht-ionisierende molekulare Bildgebung erwiesen, z.B. zur Einstufung von Tumoren oder zur Beurteilung des Therapieansprechens.…”

“…Die hohe Bildgebungsgeschwindigkeit der HP-Pyruvat-MRT beruht auf der Fähigkeit, die Umwandlung von Metaboliten in nachgeschaltete Produkte in vivo sichtbar zu machen und zu unterscheiden, wodurch die Notwendigkeit einer Kontrastmittel-Clearance aus dem umgebenden Gewebe verringert wird. Seit der ersten Demonstration am Menschen 2013 hat die HP-[1- 13 C]Pyruvat-MRT bemerkenswerte Fortschritte gemacht, und diese Technik wird laut clinicaltrials.gov derzeit in über 30 klinischen Studien untersucht. Darüber hinaus hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) kürzlich HP 129 Xe-Gas für die Bildgebung der Lunge zugelassen.…”

“…Darüber hinaus hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) kürzlich HP 129 Xe-Gas für die Bildgebung der Lunge zugelassen. Nach dieser bahnbrechenden Entscheidung ist zu erwarten, dass HP-[1- 13 C]Pyruvat bald auch für den Einsatz in der Onkologie zugelassen werden könnte.…”

“…Der Erfolg der HP-[1- 13 C]Pyruvat-MRT wurde durch die dynamische Kernpolarisation (dDNP) ermöglicht, die die führende Technik zur Herstellung von HP-Pyruvat ist. [7] Zwar entwickelt sich diese Polarisationsmethode sehr schnell und in den letzten Jahren wurden wesentliche Verbesserungen vorgestellt.…”

“…[8][9][10] Gleichwohl sind die Instrumentierung und die HP-Bolusvorbereitung immer noch sehr aufwendig und erfordern supraleitende Magnete (> 1T), kryogene Temperaturen (< 2 K) und Mikrowellenbestrahlung für die Polarisation des Wirkstoffs in der festen Phase, gefolgt von schnellem Auftauen und Auflösen der Probe, wobei typischerweise überhitztes Wasser verwendet wird, um die HP-Metaboliten in die flüssige, wässrige Phase zu übertragen. Außerdem benötigt die derzeitige dDNP etwa eine Stunde, um einen Bolus von HP-[1- 13 C]Pyruvat zu erzeugen (obwohl z.B. die 1 H- 13 C-Kreuzpolarisation diese Zeit zu verkürzen verspricht [10] ).…”