Diamantstaub als mögliche Alternative zum Kontrastmittel Gadolinium in der Magnetresonanztomographie

Eine unerwartete Entdeckung überraschte einen Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart: Nanometergroße Diamantpartikel, die für einen ganz anderen Zweck gedacht waren, leuchteten in einem Magnetresonanztomographie-Experiment hell – viel heller als das eigentliche Kontrastmittel, das Schwermetall Gadolinium.

Könnte Diamantstaub – zusätzlich zu seiner Verwendung bei der Medikamentenverabreichung zur Behandlung von Tumorzellen – eines Tages ein neuartiges Kontrastmittel für die MRT werden? Das Forschungsteam hat jetzt veröffentlicht ihre Entdeckung in Fortgeschrittene Werkstoffe.

Einige der größten Entdeckungen der Welt geschahen zufällig. Auch wenn die Entdeckung des Potenzials von Diamantstaub als zukünftiges MRT-Kontrastmittel vielleicht nie als Wendepunkt in der Wissenschaftsgeschichte angesehen werden wird, sind seine signalverstärkenden Eigenschaften dennoch eine unerwartete Entdeckung, die neue Möglichkeiten eröffnen könnte: Diamantstaub leuchtet auch nach tagelanger Beobachtung noch hell gespritzt wird. Bedeutet das, dass es vielleicht eines Tages eine Alternative zum weit verbreiteten Kontrastmittel Gadolinium werden könnte?

Dieses Schwermetall wird seit mehr als 30 Jahren in Kliniken zur Erkennung von Tumoren, Entzündungen oder Gefäßanomalien eingesetzt. Es erhöht die Helligkeit des Bildes der betroffenen Bereiche. Wenn Gadolinium jedoch in den Blutkreislauf eines Patienten injiziert wird, gelangt es nicht nur in das Tumorgewebe, sondern auch in das umliegende gesunde Gewebe.

Es wird im Gehirn und in den Nieren zurückgehalten und bleibt Monate bis Jahre nach der letzten Verabreichung bestehen. Die langfristigen Auswirkungen auf den Patienten sind noch nicht bekannt. Gadolinium verursacht auch eine Reihe anderer Nebenwirkungen. Die Suche nach einer Alternative läuft schon seit Jahren.

Könnte Diamantstaub, ein kohlenstoffbasiertes Material, aufgrund einer unerwarteten Entdeckung in einem Labor des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart zu einer gut verträglichen Alternative werden?

Dr. Jelena Lazovic Zinnanti arbeitete an einem Experiment, bei dem nanometergroße Diamantpartikel für einen ganz anderen Zweck eingesetzt wurden. Die Forscherin, die am MPI-IS die Central Scientific Facility Medical Systems leitet, war überrascht, als sie die 3 bis 5 Nanometer großen Partikel in winzige Medikamentenverabreichungskapseln aus Gelatine steckte. Sie wollte, dass diese Kapseln platzen, wenn sie Hitze ausgesetzt werden. Sie ging davon aus, dass Diamantstaub mit seiner hohen Wärmekapazität Abhilfe schaffen könnte.

„Ich hatte vorgehabt, den Staub nur zum Erhitzen der wirkstoffhaltigen Kapseln zu verwenden“, erinnert sich Jelena. „Ich habe Gadolinium verwendet, um die Position der Staubpartikel zu verfolgen. Ich wollte herausfinden, ob sich die Kapseln mit Diamanten im Inneren besser erwärmen würden. Als ich vorläufige Tests durchführte, war ich frustriert, weil Gadolinium aus der Gelatine austreten würde – genau wie es austritt des Blutstroms in das Gewebe eines Patienten.

„Ich habe beschlossen, Gadolinium wegzulassen. Als ich ein paar Tage später MRT-Bilder machte, waren die Kapseln zu meiner Überraschung immer noch hell. Wow, das ist interessant, dachte ich! Der Diamantstaub schien bessere signalverstärkende Eigenschaften zu haben als Gadolinium.“ Damit hatte ich nicht gerechnet.

Jelena führte diese Erkenntnisse weiter aus, indem sie den Diamantstaub in lebende Hühnerembryonen injizierte. Sie entdeckte, dass Gadolinium zwar überall diffundiert, die Diamant-Nanopartikel jedoch in den Blutgefäßen blieben, nicht austraten und später im MRT hell leuchteten, genau wie sie es in den Gelatinekapseln getan hatten.

Während andere Wissenschaftler Arbeiten veröffentlicht hatten, die zeigten, wie sie an Gadolinium gebundene Diamantpartikel für die Magnetresonanztomographie verwendeten, hatte noch niemand gezeigt, dass Diamantstaub selbst ein Kontrastmittel sein könnte.

Zwei Jahre später wurde Jelena Hauptautorin eines Artikels, der jetzt in veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Werkstoffe.

„Warum der Diamantstaub in unserem MRT hell leuchtet, bleibt uns immer noch ein Rätsel“, sagt Jelena, die mit Prof. Metin Sitti und Forschern der Abteilung für physikalische Intelligenz am MPI-IS sowie mit Dr. Eberhard Göring vom MPI-IS zusammengearbeitet hat ‚ Nachbarinstitut, das MPI für Festkörperforschung. Den Grund für die magnetischen Eigenschaften des Staubs kann sie nur vermuten.

„Ich denke, dass die winzigen Partikel Kohlenstoffe haben, die leicht paramagnetisch sind. Die Partikel haben möglicherweise einen Defekt in ihrem Kristallgitter, der sie leicht magnetisch macht. Deshalb verhalten sie sich wie ein T1-Kontrastmittel wie Gadolinium. Außerdem wissen wir nicht, ob.“ Diamantstaub könnte potenziell giftig sein, was in Zukunft sorgfältig untersucht werden muss.“

Wenn sich herausstellt, dass Diamantstaub sicher ist und von den Patienten gut vertragen wird, glaubt Jelena, dass er das Potenzial hat, eine neue Kontrastmitteloption für zukünftige MRT-Scans zu werden, wo er sich in Gewebe mit abnormalen Gefäßen, wie etwa Tumoren, ablagern würde, nicht jedoch in gesundes Gewebe.