DE19500665A1 - Verfahren zur ortsauflösenden Abbildung eines Bereiches eines biologischen Objektes mit Hilfe elektromagnetischer Strahlen unter Applikation von Kontrastmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ortsauflösenden Abbildung eines Bereiches biologi­ schen Objektes mit Hilfe elektromagnetischer Strah­ len unter Applikation von Kontrastmittel vor Durch­ führung der Aufnahme sowie einem Kontrastmittel zur Verwendung hierfür.

In der Medizin haben auf verschiedensten Abbil­ dungsprinzipien beruhende und vor allem zu diagno­ stischen Zwecken eingesetzte bildgebende Verfahren Eingang gefunden. Bei einigen der in der Praxis be­ deutendsten Verfahren erfolgt die Abbildung mit Hilfe elektromagnetischer Strahlen, wofür als Bei­ spiel die jedermann geläufige Röntgenstrahlung zu nennen ist. Aber auch die Fluoreszenzspektroskopie ist diesen Verfahren zuzurechnen. Wird ein zeitlich konstantes Magnetfeld überlagert, kann auch die NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanz) und die Elek­ tronen-Spinresonanz (ESR) durchgeführt werden. Beim Ziel der Abbildung biologischer Strukturen, ist die Einbringung von Kontrastmitteln vor Durchführung der Bestrahlung hilfreich. So müssen bei der Unter­ suchung von Gefäßen, Muskel und Geweben vor der Aufnahme Kontrastmittel eingebracht werden, die der besseren Sichtbarmachung der Gefäße, des Gewebes usw. dienen. Auf dem Markt befinden sich eine Viel­ zahl unterschiedlicher Kontrastmittel, die in Ab­ hängigkeit von dem eingesetzten Abbildungsverfah­ ren, vom zu untersuchenden Gewebe und der Bela­ stungsfähigkeit des Probanden ausgewählt und appli­ ziert werden. Die Kontrastmittel müssen notwendi­ gerweise nach einer kurzen Verweilzeit im Körper abgebaut bzw. ausgeschieden werden.

Als entscheidender Nachteil ist anzusehen, daß sich im Falle der Abbildung der Blutgefäße oder bei Er­ mittlung des regionalen Blutvolumens (= Volumen der Blutgefäße dividiert durch das Gesamtvolumen) die häufig intravenös applizierten Kontrastmittel im Körper ausbreiten, d. h. ausgehend von den Blutge­ fäßen in die benachbarten Zellgewebe eindiffundie­ ren, mit dem Ergebnis, daß die jeweilige Umgebung ebenfalls eine Abbildung erfährt und deshalb ein insgesamt kontrastschwaches Bild ergibt. Das regio­ nale Blutvolumen ist ein wichtiger physiologischer Parameter zur Beurteilung der Funktion eines Or­ gans. Weiterhin ist als Nachteil anzusehen, daß sich das Kontrastmittel, hinausgehend über die je­ weils zu untersuchenden Bereiche im gesamten Körper verteilt, was die Applikation einer entsprechend großen Dosis an Kontrastmittel einerseits und die an sich überflüssige Belastung weiterer Körperregio­ nen andererseits zur Folge hat.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung zur Auf­ gabe gemacht, bei bildgebenden Verfahren in Medizin oder Biologie, bei denen die Abbildung durch elek­ tromagnetische Strahlen erfolgt, die abzubildenden Bereiche des Objekts, wie Körperorgane usw. beson­ ders deutlich wiederzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Kontrastmittel durch an sich bekannte bio­ physikalische und/oder mechanische und/oder chemi­ sche Verfahren ins Innere eines einen Träger dar­ stellenden und durch eine biokompatible Membran um­ schlossenen Behältnisses eingebracht wird, wobei die Membran für das Kontrastmittel impermeabel ist, daß sich der Träger aufgrund seiner medizinisch­ biologischen Eigenschaft und/oder aufgrund von an der Oberfläche der Membran aufgebrachten Antigenen oder Antikörper in dem abzubildenden Bereich des Objektes anreichert und gleichzeitig und/oder an­ schließend die Aufnahme vorgenommen wird.

Die zwei unterschiedlichen Lösungsvorschläge dienen der Realisierung des gleichen Zieles, nämlich der gezielten Anreicherung der abzubildenden Körperge­ webe mit Kontrastmittel. Beiden Lösungen gemeinsam ist die Verwendung eines biokompatiblen, von einer Membran umgebenen geschlossenen Behältnisses, wor­ unter Zellen, Liposomen und Vesikel, als wäßrige von einer Membran umgebene Phase zu verstehen sind. In das Innere dieses von der Membran umschlossenen Volumens wird mit Hilfe bekannter biophysikalischer und/oder mechanischer Verfahren und/oder auf chemi­ schem Wege Kontrastmittel eingebracht und einge­ schlossen. Hierbei können alle bekannten Kontrast­ mittel Verwendung finden, sofern im Hinblick auf die jeweilige Membran Impermeabilität gegeben ist, so daß sie nach dem Einbringen in das Innere des umschlossenen Behältnisses sicher und bleibend um­ schlossen bleiben. Das Umschließen des Kontrastmit­ tels durch die Membran bedeutet keine Beeinträchti­ gung und Einbuße an späterer Bildqualität. Die Art und Weise der Einbringung des Kontrastmittels durch biophysikalische und/oder mechanische und/oder che­ mische Verfahren sind ans ich bekannt und bewirken eine punktweise kurzzeitige Öffnung der Membran, durch die das Kontrastmittel ins Innere eindringen kann, wobei unter Anwendung entsprechender Maßnah­ men bereits nach kurzer Zeit die Membran wieder verschlossen wird.

Als biophysikalische Verfahren, mit deren Hilfe die Einbringung des Kontrastmittels erfolgen kann, kommt in erster Linie die Elektroinjektion (Zimmer­ mann et al 1974: Biophys. J. 14, 881) in Frage. Aber auch die Ultraschallbehandlung (Ganbihler et al 1994: J. Membrane Biol. 141, 257-275) und auch Hochgeschwindigkeits-Mikropartikel Klein et al 1987: Nature 327, 70-73) können in Betracht kommen. Als mechanische Verfahren können eingesetzt werden die Mikroinjektion (Graessmann 1971: Hoppe Seyl. Z. Physiol. Chem. 352, 527), ein hypotoner Schock (Borle & Snowdowne 1982: Science 217, 242-254), os­ motische Lyse von Pinosomen (Okada & Rechsteiner 1982: Cell 29, 33-41), mechanisches Abschaben der Zellen (McNeil 1984: J. Cell Biol. 98, 1556-1564) sowie Rühren mit Glaskugeln (McNeil & Warder 1987: J. Cell Sci. 88, 669-678).

Zur chemischen Permeabilisierung können eingesetzt werden: ATP (Rozengurt & Heppel 1975: BBRC 67, 1581-1588, EDTA (Johnsen et al 1985: JBC 260, 2069-2076), CaPO4 (Graham & van Erb 1973: Virology 52, 456-467), DEAE-Dextran (Vaheri & Pagano 1965: Viro­ logy 27, 435-436).

Für die Erfindung entscheidend ist, dieses durch eine Membran umschlossenes und nunmehr mit Kon­ trastmittel dotiertes Behältnis zu veranlassen, in gezielter Weise in jene Bereiche zu wandern und sich anzusammeln, die es zu untersuchen und abzu­ bilden gilt. Hierzu schlägt die Erfindung zwei un­ terschiedliche Lösungen vor:
Zum einen kann durch den Einsatz bestimmter Behält­ nisse, Zellen usw. erreicht werden, daß diese ge­ wünschte Ansammlung in bestimmten Bereichen des Körpers eintritt. So kann durch die Verwendung von weißen Blutkörperzellen ein Transport des im Inne­ ren eingeschlossenen Kontrastmittels an Entzün­ dungsherde erfolgen und sich dort dementsprechend anreichern. Andererseits kann bei Verwendung von Erythrozyten (= rote Blutkörperchen) erreicht wer­ den, daß die entsprechend mit Kontrastmittel do­ tierten Zellen in der Blutbahn bleiben, so daß eine Abbildung der Gefäße und nicht der Umgebung er­ folgt. Erythrozyten haben die Eigenschaft, nicht in das Gewebe einzudringen und dorthin zu diffundie­ ren. Hierbei werden an sich bekannte Eigenschaften des als Träger benutzten Behältnisses, vornehmlich der Zelle oder Liposome eingesetzt und ausgenutzt.

In der vorgeschlagenen Alternativen können auch Zellen usw. als Träger eingesetzt werden, die nicht die Eigenschaft der Konzentration an einem bestimm­ ten Bereich im Körper des Probanden aufweisen. Die Information über das zu erreichende Ziel erfolgt durch die Aufbringung von Antigenen und Antikörpern auf der Oberfläche der Membran, die sich nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip an den entsprechenden kom­ plementären Zellen des Objekts anlagern. Bei der entsprechenden Wahl eines Antikörpers läßt sich er­ reichen, daß sich die Träger nur an bestimmten Zel­ len, wie z. B. Tumorzellen anlagern und ihn demzu­ folge markieren. Die Träger selbst brauchen dann in Abweichung von der erstgeschilderten Alternativen keine Zielinformationen zu beinhalten.

Bei beiden vorgeschlagenen Lösungen erhält man eine gezielte Anreicherung des Kontrastmittels in be­ stimmten Geweben und damit eine gezielte Markierung der abzubildenden Körperbereiche, die demzufolge die Herstellung kontrastreicher und aussagekräfti­ ger Abbildungen erlaubt. Das Kontrastmittel wird in vergleichsweise geringen Mengen gezielt im Hinblick auf die spätere Aufnahme eingesetzt.

Bereits erwähnt wurde, daß im Hinblick auf die Wahl des im Träger einzubringenden und durch die Membran umschlossenen Kontrastmittels alle bereits bekann­ ten Verbindungen eingesetzt und verwendet werden können, sofern sie für die Membran impermeabel sind. Als bevorzugtes Kontrastmittel für die NMR- Bildgebung wird Gadolinium-DTPA (= Gadolinium-Di­ äthylentriaminpentaacetat) genannt; ein besonders für Röntgenaufnahmen geeignetes Kontrastmittel wäre Bariumsulfat.

Im Falle der Möglichkeit der zügigen Durchführung der Aufnahme und/oder bei den Probanden belastenden Kontrastmittelverbindungen wäre eine kurze Lebens­ dauer bzw. Verweildauer des Kontrastmittels im Kör­ per von Vorteil. Andererseits sollten bei mehreren zeitlich beabstandet aufzunehmenden Abbildungen und zur Vermeidung wiederholter Anwendung Kontrastmit­ tel mit hoher Lebensdauer eingesetzt werden. Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist eine ge­ zielte Beeinflussung der Lebensdauer dadurch mög­ lich, daß die durch die bekannten biophysikalischen und/oder mechanischen Verfahren und/oder auf chemi­ schem Wege in die Membran eingebrachten Öffnungen, durch die die aufzunehmenden Kontrastmittel ins In­ nere des Trägers eindringen können, in ihrem Durch­ messer variiert werden. Wird er gering gewählt, verschließt sich die Membran sehr rasch und auch im Hinblick auf die gesamte Oberfläche weitgehend vollständig. Die Folge ist eine hohe Lebensdauer des im Inneren befindlichen Kontrastmittels. Werden hingegen große Durchmesser eingebracht, erhöht sich demgegenüber der an der Membran erzeugte Schaden und die Wahrscheinlichkeit, daß sich der ursprüng­ liche Zustand der Membran wieder herstellt, wird entsprechend geringer. Die Folge ist, daß bei Lö­ chern großer Durchmesser eine geringere Lebensdauer eintritt und der Zerfall des Kontrastmittels schneller von statten geht. Bei entsprechender Wahl der Verfahrensparameter während der Dotierung er­ folgt somit eine Beeinflussung der Lebensdauer des Kontrastmittels.

Im Hinblick auf die NMR-Bildgebung sind eine Viel­ zahl an Aufnahmeverfahren grundsätzlich denkbar. In Abhängigkeit von der gewählten Kontrastmittelsub­ stanz und von der gewünschten Abbildung (Gefäße, Funktionen, Struktur) wird man das entsprechende optimale Aufnahmeverfahren wählen. Besonders bevor­ zugt ist bei der Verwendung des Gadolinium-DTPA ein Aufnahmeverfahren, bei dem die NMR-Relaxationszeit erfaßt wird. Neben der NMR-Bildgebung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch bei der Herstellung von Abbildungen durch Röntgen­ aufnahmen, durch Elektronenspinresonanz (ESR), durch Kurzzeit-Laserspektroskopische Bildgebung oder durch Fluoreszenzspektroskopie. Klarzustellen bleibt, daß bei Anwendung der NMR- bzw. ESR-Metho­ den die elektromagnetischen Strahlen zusätzlich durch ein zeitlich konstantes Magnetfeld in an sich bekannter Weise zu überlagern sind.

Neben dem vorgeschilderten Verfahren wird das Schutzbegehren ausdrücklich auch auf das im erfin­ dungsgemäßen Sinne präparierte und unmittelbar ap­ plikationsbereite Kontrastmittel gerichtet. Es be­ findet sich im Inneren eines durch eine geschlos­ sene Membran begrenzten Behältnisses, welches als Träger dient und mit Informationen versehen ist, die als Zielvorgabe für den Transport dienen. Hier­ für nutzt man das beispielsweise als Zelle reali­ sierte Behältnis selbst oder aber durch auf der Oberfläche der Membran außenseitig angebrachte An­ tigene oder Antikörper, die sich nach dem Schlüs­ sel-Schloß-Prinzip nur an den entsprechenden kom­ plementären Zellen des Objektes anlagern.

Claims (9)

1. Verfahren zur ortsauflösenden Abbildung eines Bereiches eines medizinischen oder biologischen Ob­ jektes mit Hilfe elektromagnetischer Strahlen unter Applikation von Kontrastmittel vor Durchführung der Aufnahme, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrast­ mittel durch an sich bekannte biophysikalische und/oder mechanische und/oder chemische Verfahren ins Innere eines einen Träger darstellenden und durch eine biokompatible Membran umschlossenen Be­ hältnisses eingebracht wird, wobei die Membran für das Kontrastmittel impermeabel ist, daß sich der Träger aufgrund seiner medizinisch­ biologischen Eigenschaft und/oder aufgrund von an der Oberfläche der Membran aufgebrachten Antigenen oder Antikörper in dem abzubildenden Bereich des Objektes anreichert und gleichzeitig und/oder an­ schließend die Aufnahme vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch biologische Zellen oder Liposomen oder Vesikel als Behältnisse.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Zellen weiße Blutkörperzellen oder rote Blutkörperzellen (=Erythrozyten) einge­ setzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die Antigene oder Antikörper an Tumorzellen anlagern.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abbildung mit­ tels NMR-Signalen ein patamagnetisches Kontrastmit­ tel insbesondere Gd-DTPA (=Gadolinium-Diäthylen­ triaminpentaacetat) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß für Röntgenaufnahmen Ba­ riumsulfat als Kontrastmittel verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung (Er­ niedrigung) der Lebensdauer bei Einbringung des Kontrastmittels die in der Membran erzeugten Öff­ nungen einen kleinen (großen) Durchmesser aufwei­ sen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung Röntgenstrahlung oder Fluoreszenzspektroskopie oder Kurzzeit-Laserspektroskopische Bildgebung oder in Gegenwart eines zeitlich konstanten Magnetfeldes Kernspinresonanz (NMR) oder Elektronenspinresonanz (ESR) eingesetzt werden.

9. Kontrastmittel zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kontrastmittel von einem von ei­ ner geschlossenen Membran begrenzten Behältnis um­ geben ist, wobei die Membran für das Kontrastmittel impermeabel ist und das Behältnis sich entweder aufgrund seiner medizinisch-biologischen Eigen­ schaft und/oder aufgrund von auf der Oberfläche der Membran aufgebrachter Antigene oder Antikörper in dem abzubildenden Bereich des Objektes anreichert.