Ultrasensitive Magnetresonanz für die Biomarkerquantifizierung (MR-BioQuant); Teilvorhaben: Verfahren der quantitativen Magnetresonanz an hyperpolarisiertem 129Xe

Abstract

Das Projekt "Verfahren der quantitativen Magnetresonanz an hyperpolarisiertem 129Xe" bei der Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin (PTB) war Teil des Verbundvorhabens "Ultrasensitive Magnetresonanz für die Biomarkerquantifizierung (MR-BioQuant)", wo es um die Validierung der Voraussetzungen für den Einsatz einer innovativen Technologie zur Biomarkerbestimmung basierend auf der Verwendung hyperpolarisierten Xenons in der kernmagnetischen Resonanz (NMR) ging. Auf Grundlage der vom Verbundpartner Universität Regensburg bereitgestellten, zur Xenon-Bindung befähigten Proteine wurden in der PTB die instrumentellen, messtechnischen und datenanalytischen Herausforderungen bearbeitet. In der ersten Phase wurden zwei Experimentierplattformen entwickelt und aufgebaut: je ein hauseigener Xenon-Polarisator wurde mit einem Hochfeld-Spektrometer bzw. einem Kompaktspektrometer gekoppelt, im letzteren Fall, um die Technologie wirtschaftlich günstiger umzusetzen. Der inline-Betrieb von Polarisator und Spektrometer wurde auf Effizienz wie auch gute Handhabbarkeit optimiert und ermöglichte die routinemäßige Sättigung der Probeflüssigkeiten mit Xenon von über 20% und in der Spitze um 50% Polarisation. Experimentell wurde auf die Methode des Sättigungstransfers (hyperpolarized xenon chemical exchange saturation transfer, HyperCEST) zum hochempfindlichen Nachweis von Bindungsstellen hyperpolarisierten Xenons gesetzt. Dabei wurde das NMR-Signal des freien Xenons in der Probenlösung beobachtet in Abhängigkeit von der Frequenz eingestrahlter Radiowellen, die bei Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz an Moleküle gebundenen Xenons zu einer Minderung der Signalintensität aufgrund des chemischen Austauschs führten. Durch Modellierung des Signalverlusts sollten die Parameter der Xenon-Bindung wie Affinität, Austauschrate und insbesondere die Konzentration des Wirtsmoleküls - wie in Vorarbeiten der PTB am Wirtsmolekül Cryptophan-A (CrA) gezeigt - zahlenmäßig bestimmt werden, und zwar ohne die sonst übliche Verwendung von Messvergleichen mit Referenzmaterial. Zur Validierung des BioQuant-Verfahrens wurden zwei Typen biomolekularer Sensoren mit Bindung von Xenonatomen genutzt: einerseits die bereits etablierte Konjugation des Sensormoleküls mit dem Xenon-Wirt CrA; andererseits, als innovativerer Ansatz, die Nutzung nativer oder durch Mutagenese künstlich eingeführter Kavitäten als Xenon-Bindungsstellen. So wurde in enger Abstimmung im Verbundprojekt schwerpunktmäßig die Rezeptorbindungsdomäne des SARS-CoV-2 (RBD) im Konjugat mit CrA und der Antikörper B12 zur Erkennung des HIV envelope protein (HIVenv) als Wildtyp wie auch spezifisch designte Mutanten davon eingehend untersucht. Es wurde sowohl das RBD-CrA Konjugat als auch der B12 Wildtyp in mikromolaren Konzentrationen quantifiziert und somit das BioQuant-Verfahren grundsätzlich validiert, allerdings mit Zahlenwerten um die Hälfte der vom Verbundpartner erhobenen Sollwerte. In Teilen war die hohe Abweichung auf den starken Einfluss von transversaler Relaxation des gebundenen Xenons und dem Vorhandensein mehrerer Bindungszustände zurückzuführen. Weiterhin wurde erstmalig an B12 sowohl der Nachweis eines nativen Antikörpers (Wildtyp) als auch von Mutanten mit künstlich geschaffenen Bindungs-Kavitäten mit Xenon-NMR erreicht. Dabei zeigte sich bei zwei Mutationen sogar eine Empfindlichkeit des HyperCEST Spektrums für die Antigenbindung (HIVenv). Die Quantifizierung der von den Sensoren nachweisbaren Biomarker (ACE2 für RBD-CrA, HIVenv für B12) konnte allerdings nicht erfolgreich durchgeführt werden, da eine Unterscheidung zwischen Sensor allein und im Komplex mit dem Marker anhand der Xenonspektren nicht möglich war. Weiterhin konnte für den gegen RBD gerichteten Antikörper S309 und die Marker ACE2, HIVenv sowie -Amyloid (Alzheimer Erkrankung) in nativer Form keine Bindung von hyperpolarisiertem Xenon gefunden werden. Zusammenfassend konnte im Vorhaben das BioQuant-Verfahren im Kern validiert werden. Als Quantifizierungsverfahren sind aber Verbesserungen bei der Genauigkeit und der Anwendung auf Sensor-gebundene Biomarker erforderlich. Die entwickelte Instrumentierung, die angewandten Mess- und Analyseverfahren können über die Biosensorik hinaus in einem breiten Anwendungsspektrum hyperpolarisierten Xenons in der Magnetresonanz, beispielsweise der medizinischen Bildgebung (MRT) oder der spektroskopischen Charakterisierung poröser Materialien, gewinnbringend eingesetzt werden.