Autor: Julian Brandt

Nanopartikel sind kleine Partikel mit einem Durchmesser von 1 bis 100nm (Soliman et al., 2015, Hühn et al., 2017). Für die Zellmarkierung spielen sie eine interessante und zukunftsrelevante Rolle, insbesondere in der fortschreitenden Entwicklung der Anwendung von Stammzellen in der regenerativen Stammzelltherapie (Kustermann et al., 2008, Arnhold & Wenisch, 2015, Kolecka et al., 2017). Die Darstellung der Nanopartikel, bzw. später der markierten Zellen, soll im Rahmen dieser Studie mit der Magnetresonanztomographie (MRT) als ein nicht invasives bildgebendes Verfahren untersucht werden (López-Lagunaa et al., 2011, Schmied, 2018). In der vorliegenden Studie werden 4nm große superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikel (SPIO) und 100nm große goldhaltige Nanopartikel (AuNP) als MRT- Kontrastmittel in verschiedenen Konzentrationen an sieben unterschiedliche speziell zur Darstellung der Nanopartikel entwickelten MRT- Untersuchungssequenzen überprüft. Dies wird anhand eines Kadavermodels nach intramuskulärer ultraschall-gestützter Injektion der Nanopartikel am lateralen Kopf des M. gastrocnemius in Anlehnung an Muskulotendinopathien des M. gastrocnemius bei athletischen Hunderassen durchgeführt (Kaiser et al., 2016). Die hier verwendeten Konzentrationen sind um ein Vielfaches geringer als diejenigen von Vergleichsstudien zur Darstellung und Überprüfung von zellmorphologischen und funktionalen Effekten (Wen et al., 2013, Kolecka et al., 2017, Schmied, 2018). Die Eisenoxidnanopartikel können mit dem MRT besonders kontrastreich dargestellt werden. Dabei fällt die gemessene Signalintensität mit steigender Konzentration an SPIO konzentrationsabhängig ab. Dies wird insbesondere bei Gradientechosequenzen (GRE) deutlich, da diese zur Darstellung der von SPIO verursachten Suszeptibilitätsartefakte am geeignetsten sind (Westbrook et al., 2011). Die hohe Korrelation zwischen objektiver und subjektiver Messung erlaubt eine adäquate subjektive Einschätzung seitens des Untersuchers. Für die klinische Anwendung werden folgende Sequenzen zur Darstellung der SPIO empfohlen: T1 gewichtete (w) Turbo-Spin-Echo (TSE) (ab 146,48nM) als anatomische Übersichtsaufnahme, die T2w TSE (ab 146,48nM, besser ab 219,72nM) zur Darstellung akuter pathologischer Läsionen, die T2w GRE (sagittal und transversal, ab 146,48nM) zur optimalen Darstellung der SPIO und die Short Tau Inversion Recovery (STIR) Sequenz zur Unterscheidung von akuter und chronischer Läsionen (ab 494,36nM, besser ab 741,55nM). Die protonengewichteten Aufnahmen sind für klinischen Bereich nicht relevant. Im Gegensatz zu den Eisenoxidnanopartikeln ist der Kontrast der diamagnetischen Goldnanopartikel deutlich schwächer ausgeprägt. So zeigen die Partikel in diesem Versuchsaufbau lediglich bei der T2w GRE Sequenz einen deutlich hypointensen erkennbaren konzentrationsabhängigen Verlauf (ab 0,00336nM). Dennoch wäre es möglich, die vielseitigen anderen Eigenschaften (z.B. Oberflächenplasmonresonanz, Biosensor, CT etc.) der Goldnanopartikel zu nutzen um multimodale Kontrastmittel herzustellen, indem sie mit anderen MRT-Kontrastmittel, wie z.B. Gadolinium-Chelate, verknüpft werden (Huang et al., 2007, Alric et al., 2008, Park et al., 2010, Colombo et al., 2012). In möglichen auf diese Arbeit aufbauenden Studien könnte untersucht werden, ob die mit SPIO markierten mesenchymalen Stammzellen in den oben genannten niedrigen Konzentrationen mittels MRT im Kadavermodell darstellbar sind. Anschließend könnte in einer weiteren in vivo Studie mittels ultraschall-gestützter Injektion die Lokalisation und der zeitliche Verbleib der markierten Stammzellen im Organismus überprüft werden. In diesem Versuchsaufbau wären auch biologische und potentiell toxikologische Fragestellungen im Organismus aufschlussreich. Schlussendlich ist es im Rahmen der regenerativen Stammzelltherapie das Ziel Patienten mit markierten Stammzellen unterstützend zu therapieren. Das Fazit aus dieser Dissertation lautet, dass SPIO in den oben genannten Untersuchungssequenzen und Konzentrationen ausreichend Signal erzeugen, um optimal mittels MRT objektiv und subjektiv dargestellt werden zu können. Dabei begünstigt die äußerst niedrige Konzentration im Rahmen der Zellmarkierung die Zellvitalität, sodass später der gewünschte therapeutische Effekt der regenerativen Stammzelltherapie bestmöglich ausgenutzt werden kann. Schlüsselwörter: Eisenoxidnanopartikel, Goldnanopartikel, Entwicklung von MRT- Untersuchungssequenzen, Stammzelltherapie, Zellmarkierung, Kadavermodel, Muskulotendinopathie vom M. gastrocnemius