Sie können Ihre besten Vermutungen behalten. Ingenieure der George R. Brown School of Engineering der Rice University beginnen zu verstehen, was genau passiert, wenn Ärzte Kontrastmittel für einen MRT-Scan in Ihren Körper pumpen.
In einer neuen Studie, die zu besseren Scans führen könnte, gräbt ein von Rice geführtes Team tiefer über molekulare Simulationen, die im Gegensatz zu früheren Modellen absolut keine Annahmen über die grundlegenden Mechanismen treffen, die bei der Verwendung von Gadoliniummitteln zur Hervorhebung von Weichgeweben im Spiel sind.
Die Studie unter der Leitung des Chemie- und Biomolekularingenieurs Philip Singer von Rice, des ehemaligen außerordentlichen Forschungsprofessors Dilip Asthagiri, jetzt vom Oak Ridge National Laboratory, und des Doktoranden Thiago Pinheiro dos Santos erscheint in Physikalische Chemie Chemische Physik.
Es verwendet die ausgeklügelten Modelle, die erstmals bei Rice für Öl- und Gasstudien entwickelt wurden, um abschließend zu analysieren, wie sich Wasserstoffkerne bei Körpertemperatur unter Kernspinresonanz (NMR), der Technologie, die von der Magnetresonanztomographie, auch bekannt als MRI, verwendet wird, „entspannen“.
Ärzte verwenden die MRT, um den Zustand von Weichgeweben, einschließlich des Gehirns, bei einem Patienten zu „sehen“, indem sie magnetische Momente in den Wasserstoffkernen von Wassermolekülen induzieren, um sich mit dem Magnetfeld auszurichten, ein Prozess, der manipuliert werden kann, wenn Gadolinium-Wirkstoffe vorhanden sind Nähe. Das Gerät erkennt helle Flecken, wenn sich die ausgerichteten Kerne nach einer Anregung wieder in das thermische Gleichgewicht zurückbilden. Je schneller sie sich entspannen, desto heller ist der Kontrast.
Gadoliniummoleküle sind von Natur aus paramagnetisch und empfindlich gegenüber magnetischer Anregung. Da sie toxisch sind, werden sie normalerweise als Teil eines Kontrastmittels chelatisiert. „Ein Chelat umarmt im Grunde das Gadolinium und schützt Ihren Körper vor direkter Wechselwirkung mit dem Metall“, sagte Pinheiro dos Santos. „Wir fragen, wie genau sich diese Moleküle verhalten?“
Obwohl Gadolinium-basierte Kontrastmittel Patienten jedes Jahr tonnenweise injiziert werden, wurde ihre Wirkungsweise auf molekularer Ebene nie vollständig verstanden.
Kredit: Rice University
„Vor 40 Jahren gingen die Menschen im NMR-Bereich davon aus, dass flüssiges Wasser nur eine Ansammlung von Murmeln ist, die sich bewegen, und die Dipole in den Murmeln sich zufällig neu ausrichten“, sagte Asthagiri.
Aber solche Annahmen sind einschränkend, sagte er. „Was Thiago mit seiner expliziten Simulation macht, ist zu zeigen, wie sich das Wassernetzwerk im Laufe der Zeit entwickelt“, sagte Asthagiri. „Das sind komplizierte, rechenintensive Berechnungen.“
Die Rice-Simulationen nutzen hochverfeinerte, polarisierbare Kraftfelder, um das Phänomen im Detail zu untersuchen, und das erforderte intensives GPU-beschleunigtes Rechnen.
Das Team validierte seinen molekulardynamischen Ansatz mit experimentellen Daten von Co-Autor Steven Greenbaum, einem Physikprofessor am Hunter College der City University of New York, dessen Labor auf NMR-Messungen von ionischen und molekularen Transportprozessen in kondensierter Materie spezialisiert ist.
Die Simulationen zeigten deutliche Unterschiede darin, wie die inneren und äußeren Hüllen von Wassermolekülen um Gadolinium herum auf thermische Anregung reagieren. „Die innere Schale ist die Gruppe von acht oder neun Wassermolekülen um Gadolinium herum“, sagte Pinheiro dos Santos. „Sie sind stark an das Gadolinium gebunden und bleiben dort lange, einige Nanosekunden. Die äußere Hülle umfasst alle verbleibenden Wassermoleküle.“
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Struktur der Innenschale zwar zwischen 41 und 98,6 Grad Fahrenheit nicht ändert, ihre Dynamik jedoch sehr anfällig für thermische Effekte ist. Sie entdeckten auch, dass die Temperatur die Selbstdiffusionsfähigkeit von Molekülen in den Gadolinium-Wasser-Simulationen in einer Weise stark beeinflusst, die die Relaxation der Außenhülle beeinflusst.
„Insgesamt eröffnen diese Entdeckungen einen neuen Weg, um aufzuklären, wie Kontrastmittel auf die Bedingungen des menschlichen Körpers während eines MRT-Scans reagieren“, sagte Singer. „Indem man dies besser versteht, kann man neue, sicherere und empfindlichere Kontrastmittel entwickeln sowie Simulationen verwenden, um die Interpretation von MRT-Daten zu verbessern.“
Er sagte, dass zukünftige Studien Chelat-Gadolinium-Komplexe in Flüssigkeiten untersuchen werden, die repräsentativer für das Zellinnere sind.
Mehr Informationen:
Thiago J. Pinheiro dos Santos et al, Thermische und Konzentrationseffekte auf die 1H-NMR-Relaxation von Gd3+-Aqua unter Verwendung von MD-Simulationen und -Messungen, Physikalische Chemie Chemische Physik (2022). DOI: 10.1039/D2CP04390D