INTERACTING SPIN POOLS FOR MOLECULAR DIAGNOSTICS WITH MAGNETIC RESONANCE
Leif Schröder
German Cancer Research Center
Morning
Interacting Spin Pools for Molecular Diagnostics with Magnetic Resonance
Leif Schröder
Department of Physics and Astronomy, Heidelberg University
German Cancer Research Center, Heidelberg
Morning course
Since its discovery ca. 80 years ago, nuclear magnetic resonance (NMR) has found many applications at the interface of physics, chemistry, and the life sciences. The later developed spatial encoding of NMR signals is the underlying concept of magnetic resonance imaging (MRI) and has become an indispensable tool in medical diagnostics. However, spin polarization in typical NMR and MRI settings is rather low to achieve rapid multidimensional encoding. MRI is therefore often limited to the detection of tissue water magnetization.
Various types of interactions between different spin pools allow to address the intrinsic sensitivity challenge of NMR and have made their way from physics and chemistry into biomedical applications. Following an introduction on the basics of nuclear magnetization in macroscopic samples and its spatial encoding based on magnetic field gradients in the presence of relaxation processes towards the Boltzmann equilibrium, this lecture will cover various types of interacting spin pools for retrieving diagnostic information. The origins of different Larmor frequencies will be presented as the basis for selective manipulation of spin pools and various types of interactions such as coordination with paramagnetic centers, chemical exchange, and spin-spin couplings used for generation of transient spin hyperpolarization outside the Boltzmann equilibrium will be discussed. Examples of applications cover, e.g., the concept of clinically used Gadolinium-based contrast agents, mapping of endogenous markers engaging in proton exchange with water, metabolic 13C imaging, 129Xe gas exchange detection in lung imaging and functionalized biosensors for improving diagnostics in the concept of personalized treatments. A demonstration with laser-polarized 129Xe at a 9.4T magnet can be given at the end of the course.
Vormittags
Seit ihrer Entdeckung ca. Vor 80 Jahren findet die magnetische Kernspinresonanz (NMR) zahlreiche Anwendungen an den Schnittstellen von Physik, Chemie und Biowissenschaften. Die später entwickelte Ortskodierung von NMR-Signalen ist das Grundkonzept der
Magnetresonanztomographie (MRT) und hat sich zu einer unverzichtbaren Methode in der medizinischen Diagnostik entwickelt. Allerdings ist die Spinpolarisation unter typischen NMR- und MRT-Bedingungen ziemlich gering und erlaubt keine schnelle mehrdimensionale Ortskodierung. Die MRT ist deshalb oft auf die Darstellung der Gewebewasser-Magnetisierung beschränkt. Mehrere Arten von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Spin-Pools ermöglichen die Überwindung der intrinsischen Unempfindlichkeit der NMR und haben ihren Weg von der Physik und Chemie in biomedizinische Anwendungen gefunden. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Kernmagnetisierung in makroskopischen Proben und der Ortskodierung mit Hilfe von Magnetfeldgradienten in Gegenwart von Relaxationsprozessen hin zum Boltzmann-Gleichgewicht werden in dieser Vorlesung verschiedene Arten interagierender Spin-Pools zur Gewinnung diagnostischer Informationen behandelt. Die Ursprünge verschiedener Larmorfrequenzen werden als Grundlage für die selektive Manipulation von Spin-Pools diskutiert und verschiedenen Arten von Wechselwirkungen werden betrachtet: die Koordination mit paramagnetischen Zentren, chemischer Austausch und Spin-Spin-Kopplungen, die zur Erzeugung transienter Spin-Hyperpolarisation außerhalb des Boltzmann-Gleichgewichts genutzt werden können. Beispiele für Anwendungen umfassen z. B. das Konzept klinisch verwendeter Gadolinium-basierter Kontrastmittel, die Darstellung endogener Marker, die am Protonenaustausch mit Wasser beteiligt sind, die metabolische 13C-Bildgebung, die 129Xe-Gasaustausch-Detektion in der Lungenbildgebung und hyperpolarisierte funktionalisierte Biosensoren zur Verbesserung der Diagnostik im Konzept von personalisierte Behandlungen. Am Ende des Kurses kann eine Demonstration mit Laser-polarisiertem 129Xe an einem 9,4T-Magneten gegeben werden.
