Quantitative Bildgebung magnetischer Nanopartikel mittels magnetrelaxometrischer Tomographie für biomedizinische Anwendungen

Die Entwicklung neuartiger medizinischer Verfahren, in denen magnetische Nanopartikel (MNP) als Arzneimitteltrager oder zur Warmeinduktion fur lokale Krebstherapien eingesetzt werden, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Sowohl fur die Steuerung, als auch fur die Bewertung dieser Therapien werden Messverfahren zum ortsaufgelosten und quantitativen Nachweis der MNP im Korper benotigt. Mit der Magnetrelaxometrie (MRX) steht ein solches Verfahren zur Verfugung, bei dem das abklingende magnetische Moment der MNP nach dem Abschalten eines angelegten Magnetfeldes zur Quantifizierung genutzt wird. Auch ein ortsaufgeloster Nachweis von MNP ist mit diesem Verfahren moglich. Dafur wird die Nanopartikelverteilung mit einem homogenen Magnetfeld zur Relaxation angeregt und die MRX-Signale gleichzeitig von mehreren Sensoren detektiert. Zur Rekonstruktion der Verteilung aus den Messdaten muss ein schlecht-gestelltes, inverses Problem gelost werden. Dabei muss die Rekonstruktion uber zusatzliches a-priori Wissen, wie z.B. der vertikalen Lage der Verteilung in einem 2D Rekonstruktionsgitter oder Annahmen uber die Anzahl und Geometrie der MNP-Anreicherungen im Korper, stabilisiert werden. Einen neuartigen Ansatz zur dreidimensionalen Bildgebung der MNP stellt die MRX-Tomographie dar, in der die Rekonstruktion uber zusatzliche MRX-Messungen stabilisiert wird. Dafur werden nacheinander unterschiedliche Teilbereiche der Nanopartikelverteilung mit inhomogenen Magnetfeldern zur Relaxation angeregt und die jeweiligen Relaxationssignale wiederum gleichzeitig von mehreren Sensoren aufgezeichnet. In dieser Arbeit wurde erstmals ein experimenteller Aufbau fur die MRX-Tomographie konzipiert und realisiert, um damit die Rekonstruktionsqualitat dieses Verfahrens zu untersuchen. Zur Detektion der MRX-Signale wurde ein bestehendes Sensorsystem mit 304 der derzeit empfindlichsten Magnetfeldsensoren (SQUIDs) verwendet. Zur selektiven Magnetisierung der MNP-Verteilung wurde ein mehrkanaliges Magnetisierungssystem entwickelt. Dieses stellt in einer wahlbaren Abfolge prazise Magnetfelder bereit, die in unmittelbarer Nahe zum Sensorsystem eine ortskodierte Relaxationsantwort der MNP erzeugen. Zur Untersuchung der Bildgebungseigenschaften des MRX-Tomographieaufbaus wurden MNP-Phantome konzipiert und entwickelt, die die spezifischen Gegebenheiten praklinischer Therapiestudien mit MNP nachbilden. Die von den Phantomen bereitgestellten Nanopartikelverteilungen mit klinischen Dosierungen im Milligrammbereich konnten mittels MRX-Tomographie dreidimensional rekonstruiert werden. Bei einer raumlichen Auflosung von wenigen Kubikzentimetern und einem Messvolumen von bis zu 600 cm^3 wurde dabei eine Quantifizierungsunsicherheit von unter 10% erreicht. Die erreichte Gesamtmessdauer einer kompletten MRX-Tomographiesequenz von etwa zwei Minuten lag dabei unterhalb der typischen Narkosedauer in Kleintierstudien. Durch die Verwendung alternativer Anregungssequenzen im MRX-Tomographieaufbau konnte die Gesamtmessdauer ohne wesentlichen Verlust an Rekonstruktionsqualitat auf unter 30 Sekunden reduziert werden. Schlieslich wurde das Verfahren der MRX-Tomographie unter Berucksichtigung des zeitlichen Relaxationsverlaufes der MNP erweitert. Mit diesem Ansatz konnte auch der Bindungszustand der MNP an das umgebende Medium quantitativ und dreidimensional rekonstruiert werden. Die dazu durchgefuhrten Versuche belegen das Potential der MRX-Tomographie, den Einfluss der biologischen Umgebung auf die physikalischen Eigenschaften der MNP quantitativ und ortsaufgelost nachzuweisen. Der in dieser Arbeit entstandene MRX-Tomographieaufbau erlaubt den sicheren quantitativen und ortsaufgelosten Nachweis von MNP-Verteilungen in Kleintieren bis zur Kaninchengrose. Durch eine moderate Anpassung der Anregungsspulen wird somit eine Humananwendung des Verfahrens denkbar. Damit wurde ein wichtiger Schritt in der Entwicklung einer therapiebegleitenden Bildgebung zur Steuerung und quantitativen Bewertung MNP basierter Krebsbehandlungen erreicht.