Xenon Saturation Transfer Magnetic Resonance in Model Biological Systems

Xenon (129Xe) nuclei are sensitive probes for nuclear magnetic resonance (NMR) applications. Spin exchange optical pumping yields a significantly increased Xe nuclear spin polarization for studying interactions of the noble gas with other molecules at dilute spin densities. Sensitivity can be further enhanced in dynamic systems where Xe binds reversibly to macromolecular host structures. Such molecules can functionalize the chemically inert atoms, which can then be used as reporters for Hyper-CEST (chemical exchange saturation transfer of hyperpolarized nuclei), a novel and highly sensitive molecular imaging technique. Here we investigate the Hyper-CEST signatures of exchanging Xe in macromolecular hosts when interacting with dynamic biological model systems. This is required for proper understanding of the Hyper-CEST signal formation. The tendency of Xe and its hosts to embed into biomembranes was first discovered in 2011. Biomembranes are complex and highly dynamic systems and are diverse in terms of composition. We show that differences in biomembrane composition yield different Hyper-CEST signals, which can be used to generate magnetic resonance imaging (MRI) contrast based on membrane fluidity. This enabled us to detect changes of biomembrane properties in terms of (i) fluidity phase, (ii) lipid raft formation, (iii) cholesterol incorporation and (iv) pore formation, the latter upon antimicrobial peptide action. Moreover, we took advantage of the hydrophobic-driven membrane interaction to deliver Xe hosts as a MRI contrast agent selectively to cells via a peptide-labeled nanocarrier, which bypasses elaborate chemistry of the host molecules. Furthermore, we show that the competitive binding into host molecules between Xe atoms and small organic molecules produced by enzymes can be used to detect enzymatic activity. The obtained results illustrate that Hyper-CEST can be used as an alternative to optical methods for investigating biomembrane dynamics or enzymatic activity. This can be particularly helpful when existing methods are not applicable, for example fluorescence techniques in combination with opaque samples. Furthermore, the gained knowledge will be substantial when interpreting Hyper-CEST data in biological systems as biomembrane dynamics can interfere with other contrast-relevant parameters, such as Xe host concentration. In particular the development of liposomal nanocarriers will enable Hyper-CEST to be a complementary diagnostic imaging method and help to understand the development, diagnosis and therapy of different diseases, such as cancer. Kurzzusammenfassung Xenon-Kerne (129Xe) stellen sehr sensitive Sonden für Kernspinresonanzanwendungen (NMR) dar. Eine deutlich erhöhte Xe-Kernspinpolarisation kann durch optisches Pumpen von Rubidium-Atomen mit darauffolgendem Spinaustausch erreicht werden. Dies ermöglicht Studien über die Wechselwirkung des Edelgases mit anderen Molekülen bei geringer Spin-Dichte. In dynamischen Systemen kann mittels Xe-bindenden Makromolekülen, die Sensitivität zusätzlich erhöht werden. Solche Wirts-Moleküle dienen auch dazu, die chemisch inerten Atome zu funktionalisieren, wodurch eine neuartige sensitive NMR-Anwendung, die auf dem chemischem Austauschsättigungstransfer von hyperpolarisierten Kernen (Hyper-CEST) beruht, möglich wird. Hier untersuchen wir Hyper-CEST Signaturen von Xe-Atomen und deren Wechselwirkung mit Molekülen, in die sie vorrübergehend binden, in biologisch relevanten Modellsystemen. Diese Studien ermöglichen ein systematisches Verständnis des Hyper-CEST-Signalaufbaus. Im Jahr 2011 wurde zum ersten Mal die verstärkte Wechselwirkung von Xe-Atomen und deren molekularen Bindungspartnern mit Biomembranen nachgewiesen. Biomembrane sind komplexe und hoch dynamische Systeme, die unterschiedlich aufgebaut sein können. Wir zeigen, dass Unterschiede in der Biomembranzusammensetzung zu unterschiedlichen Hyper-CEST-Signalen führen, was zur Kontrastgenerierung in der NMR-Bildgebung verwendet werden kann. Dies ermöglichte die Detektion von Änderungen unterschiedlicher Biomembraneigenschaften wie (i) der Phase der Biomembranfluidität, (ii) der Separierung solcher Biomembranfluiditätphasen innerhalb einer Biomembran, (iii) der Inkorporierung von Cholesterin und (iv) der Porenbildung, wobei letzteres durch antimikrobielle Peptide induziert wurde. Des Weiteren konnten wir basierend auf der hydrophoben Wechselwirkung des Xe-Kontrastmittels mit Biomembranen Zellen selektiv mittels liposomaler Träger markieren. Dadurch können in Zukunft aufwendige chemische Modifikationen am Wirts-Molekül als Kontrastmittel umgangen werden. Zusätzlich zeigen wir, dass die kompetitive Bindung von Xe-Atomen und von durch Enzyme produzierten organischen Verbindungen mit den Wirts-Molekülen dazu benutzt werden kann, die Enzymaktivität nachzuweisen. Die erlangten Ergebnisse zeigen, dass Hyper-CEST als Alternative zu optischen Methoden angewendet werden kann, um dynamische Aspekte von Biomembranen oder Enzymaktivität zu untersuchen. Dies kann vor allem dann von Vorteil sein, wenn vorhandene Methoden nicht angewandt werden können, wie zum Beispiel Fluoreszenz bei undurchsichtigen Proben. Weiterhin werden die Ergebnisse entscheidend sein, um Hyper-CEST-Daten von biologischen Systemen korrekt zu interpretieren, da zum Beispiel die Effekte der Biomembrandynamik andere Kontrast-relevante Parameter, wie etwa die Kontrastmittel-Konzentration, überlagern können. Insbesondere durch die Entwicklung des Nanoträgersystems bringen unsere Studien Hyper-CEST einen Schritt weiter, um in Zukunft als komplementäre diagnostische Bildgebungsmethode zu fungieren und damit zum Verständnis über die Entwicklung, Diagnose und Therapie von verschiedenen Krankheiten, wie zum Beispiel Krebs, beizutragen.