Tracertechnologien

Entwicklung applikationsspezifischer Tracer

Die Tracer basieren auf superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs), die hochgradig biokompatible Eigenschaften haben und daher vielversprechende Kandidaten für biomedizinische Anwendungen sind - sie sind beispielsweise der wesentlichste Bestandteil der Magnetpartikel-Bildgebung (MPI). Sind sie funktionalisiert, können Tracer sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Anwendungen wie Hyperthermie, Zellmarkierung und zur Medikamentenverabreichung verwendet werden. Sie können außerdem für den Bau von medizinischen Kathetern und Mikro-Schwimmern genutzt werden, die in einem MPI-Scanner visualisiert und sogar berührungslos bewegt werden können.

Ein Forschungsgebiet des Fraunhofer IMTE ist die Synthese von biokompatiblen SPIONs, die aus einem eisenhaltigen Kern und einer eisenfreien Hülle bestehen. Je nach gewünschten Biokompatibilitätseigenschaften und zeitlicher Stabilität des Tracers können unterschiedliche Materialien für den Aufbau der Hülle gewählt werden. Dextran und Siliziumdioxid als Schalenmaterialien sind nicht nur reaktiv, sondern lassen sich auch leicht mit Fluoreszenzfarbstoffen oder Medikamenten koppeln. Am IMTE liegt der Schwerpunkt dabei nicht nur auf der Synthese von SPIONs und ihrer Funktionalisierung, sondern auch auf der Untersuchung der Keimbildung und des Wachstums von Nanopartikeln. 

Erfahren Sie hier mehr über unsere Leistungen in den Bereichen Kontrastmittel-EntwicklungInstrumentierung und Magnetische Systeme.

Funktionalisierung von SPIONs

Verschiedene Ansätze zur Funktionalisierung von SPIONs werden derzeit am IMTE untersucht. Die Kopplung von SPIONs mit einem Fluoreszenzfarbstoff ermöglicht nicht nur die Verfolgung des Diffusionsweges verabreichter SPIONs, sondern kann auch genutzt werden, um die Stoffwechselwege dieser Nanopartikel innerhalb einer Zelle zu untersuchen. 

Ein Beispiel ist die Verkapselung der fluoreszenzmarkierten SPIONs in roten Blutkörperchen. Dies ist eine interessante Anwendung, da die SPIONs, nachdem sie in einen lebenden Organismus injiziert wurden, normalerweise schnell als Fremdkörper erkannt und direkt aus dem Blutkreislauf in die Leber oder Milz transportiert werden, um dort abgebaut zu werden. Werden die SPIONs jedoch in rote Blutkörperchen eingekapselt, werden sie nicht mehr als Fremdkörper erkannt. Wenn die roten Blutkörperchen nicht geschädigt werden, können die eingekapselten SPIONs ca. 120 Tage lang (Lebensdauer eines gesunden roten Blutkörperchens) im Gefäßsystem des Patienten zirkulieren. Diese Methode könnte potenziell für die Verabreichung von Medikamenten oder andere Anwendungen genutzt werden, die eine längere Lebensdauer der Partikel erfordern.

Geräteentwicklung zur SPION-Charakterisierung

Das Team des Fraunhofer IMTE hat Erfahrung in der Entwicklung von Geräten zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften der synthetisierten SPIONs. Diese Geräte werden als Magnetpartikelspektrometer (MPS) bezeichnet. Die Messungen bestehen im Allgemeinen aus Amplituden- und Phasenspektren, aus denen wiederum die Magnetisierungskurve (auch Hysterese genannt) sowie geometrische Eigenschaften wie der Durchmesser der SPIONs und der hydrodynamische Durchmesser berechnet werden können. Darüber hinaus ist es ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Reaktion der SPIONs, beispielsweise der Temperatur oder des Bindungszustandes. Das Fraunhofer IMTE beschäftigt sich mit dem Design und der Entwicklung verschiedener MPS-Systeme, wie z.B. ein nulldimensionales MPS ohne Offset-Feld, ein zweidimensionales MPS zur Simulation einer Lissajous-Trajektorie, ein dreidimensionales MPS (Fuzzy-Amp), das Magnetfelder innerhalb eines MPI-Scanners emulieren kann, sowie eine Table-Top-Version. Diese Charakterisierungsgeräte helfen beim Verständnis der physikalischen und magnetischen Eigenschaften von SPIONs und helfen wiederum bei der Entwicklung neuer Tracermaterialien.

Während MPS-Messungen üblicherweise durchgeführt werden, um synthetisierte SPIONs zu charakterisieren, bleibt der Syntheseprozess selbst völlig unbeobachtet. Ein neuartiges Gerät - INSPECT - wurde kürzlich entwickelt, um diese Lücke zu schließen. Es basiert konzeptionell auf einem nulldimensionalen MPS, kann aber die Keimbildung und das Wachstum der SPIONs, die eine Synthese durchlaufen, in Echtzeit verfolgen, indem es die Änderung des magnetischen Moments der SPIONs misst. INSPECT ist ein kostengünstiges Gerät mit geringer Instrumentierungskomplexität, das im Vergleich zur Röntgenstrahlung und Transmissionselektronenmikroskopie keine speziellen Probenkammern oder Experimentieraufbauten zur Durchführung chemischer Reaktionen erfordert. In einem nächsten Schritt wird INSPECT zu einem Gerät für die Continuous Flow Synthese weiterentwickelt, das Mikrosynthese kontinuierlich durchführen kann und schließlich mehr Kontrolle über die Größenverteilung der SPIONs ermöglicht. Darüber hinaus werden Verfahren der künstlichen Intelligenz integriert, um optimale Syntheseparameter für die Produktion von Tracermaterialien für MPI zu finden und eine Echtzeit-Qualitätsanalyse für das produzierte Tracermaterial zu liefern.