An Makrophagen haftende Mikropatches ermöglichen die Erkennung von Hirnentzündungen per MRT – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/macrophage-adhering-micropatches-enable-mri-to-detect-brain-inflammation-physics-world.jpg" data-caption="Den Kontrast vergleichen Repräsentative MRT-Karten von Kontrollschweinen und Schweinen mit leichter traumatischer Hirnverletzung (mTBI), denen M-GLAMs oder das kommerzielle Kontrastmittel Gadavist injiziert wurden. Das gepunktete Quadrat zeigt den lateralen Ventrikel und den Plexus choroideus an, die den interessierenden Bereich bilden. (Mit freundlicher Genehmigung von Wang et al. Wissenschaft. Übers. Med. 16 eadk5413 (2024))“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/macrophage-adhering-micropatches-enable-mri-to- discover-brain-inflammation-physics-world.jpg“>

Ein „lebendes Kontrastmittel“ könnte bei der Diagnose eines leichten Schädel-Hirn-Traumas (TBI) helfen, wenn die konventionelle Magnetresonanztomographie (MRT) keine strukturellen Veränderungen zeigt, sagen Forscher der Harvard University Fakultät für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften.

Die Forscher luden Gadolinium, ein Standard-MRT-Kontrastmittel, in Mikropflaster auf Hydrogelbasis ein, die sich an Immunzellen heften, und machten in präklinischen Studien Entzündungen bei Schweinen mit leichtem Schädel-Hirn-Trauma sichtbar. Letztendlich gehen sie davon aus, dass die Technologie die Zahl der diagnostizierten leichten Schädel-Hirn-Trauma-Fälle erhöhen und die Patientenversorgung verbessern wird.

„Wenn jemand stürzt oder einen leichten Kopfaufprall erleidet, ist möglicherweise keine erkennbare Veränderung der Gehirnstruktur festzustellen, aber das Gehirn kann dennoch erhebliche Schäden erlitten haben, die sich im Laufe der Zeit manifestieren können. Patienten mit Verdacht auf Schädel-Hirn-Trauma wird gesagt, dass es gut aussieht, nur um später festzustellen, dass sich Nebenwirkungen zeigen“, sagt er Samir Mitragotri, dessen Labor die Studie durchgeführt hat. „Das war also die Motivation – können wir eine empfindlichere Methode zur Erkennung leichter SHT entwickeln?“ Die Entwicklung der Technologie wurde von Lily Li-Wen Wang, einer Doktorandin in der USA, geleitet Mitragotri-Labor. Die MRT-Expertise wurde bereitgestellt von Rebekah Mannix vom Boston Children's Hospital und ihrem Team.

Per Anhalter mit den Profi-Essern des Immunsystems

Da das Immunsystem auch bei „kleineren“ Traumata weiß, dass das Gehirn geschädigt ist, suchten die Forscher nach einem Kontrastmittel, mit dem sich Immunzellen nachweisen lassen. Sie haben sich auf Makrophagen spezialisiert, weißen Blutkörperchen, die reichlich vorhanden und beweglich sind und neben ihren anderen Funktionen im Immunsystem an Entzündungsherde rekrutiert werden und Mikroorganismen verschlingen.

„Makrophagen sind dafür berüchtigt, alles zu fressen, was an sie bindet – das sind professionelle Esser“, erklärt Mitragotri. „Wir haben den Makrophagen mit einer Markierung versehen, damit der Makrophage im MRT sichtbar ist.“

Die Forscher nannten die Technologie Makrophagen-anhaftende Gd(III)-beladene anisotrope Mikropatches oder M-GLAMs. Wie der Name schon sagt, heften sich M-GLAMs an Makrophagen und gelangen per Anhalter in das verletzte Gehirn. Da GLAMs mit Gadolinium markiert sind, können die Forscher mithilfe der MRT sehen, wo die Makrophagen im Gehirn auftauchen.

„Der Makrophage lokalisiert sich überall im Gehirn, wo sich die Entzündung befindet, sodass Sie den Ort der Entzündung sehen können. Das Hauptziel besteht jedoch darin, festzustellen, ob eine Entzündung vorliegt. Die sekundäre Frage ist, wo, denn in den meisten Fällen wird bei leichtem Schädel-Hirn-Trauma nicht einmal die erste Frage beantwortet“, sagt Mitragotri.

Die Forscher testeten das Kontrastmittel, indem sie Mäusen und Schweinen GLAMs in einer Dosis von einem oder mehreren GLAMs pro Makrophage injizierten. Im Gegensatz zu Gadavist, einem kommerziellen Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis, verursachten M-GLAMs keine Nebenwirkungen oder Toxizität und verblieben mehr als 24 Stunden im Körper der Tiere, bevor sie von Leber und Nieren ausgeschieden wurden. In einem Gehirnverletzungsmodell von Schweinen beobachteten sie M-GLAMs im Plexus choroideus, einer Region des Gehirns, die bei der Rekrutierung von Immunzellen durch die Blut-Liquor-Schranke hilft. Gadavist, das schnell aus dem Körper ausgeschieden wird, lokalisierte nicht an Stellen mit Entzündungen im Gehirn.

Die Konzentration an Gadoliniumionen in GLAMs ist so hoch, dass die Forscher in Tierstudien eine 500- bis 1000-fach geringere Gadoliniumdosis im Vergleich zu Gadavist verwenden konnten. Sie erkennen an, dass M-GLAMs an mehr Tieren getestet werden sollten und dass M-GLAMs zu Entzündungsherden wandern könnten, die nichts mit einer leichten SHT zu tun haben.

Vorbereitung und Charakterisierung von GLAMs

Gadolinium wirkt als MRT-Kontrastmittel bei Kontakt mit Wasser (T1-MRT-Signale erfordern Wasser-Proton-Gd(III)-Wechselwirkungen). Im Gegensatz zu den meisten für biomedizinische Anwendungen verwendeten Polymeren, die hydrophob und nicht porös sind, ist ein GLAM porös und hydrophil – ein scheibenförmiges Hydrogel, das sich an einen Makrophagen bindet, wenn der Makrophage versucht, Hyaluronsäure im Hydrogel zu fressen.

Der Makrophage scheitert bei diesem Unterfangen, weil das GLAM scheibenförmig ist (dass Makrophagen scheibenförmige und andere anisotrope Partikel nicht fressen können, haben die Forscher im Rahmen einer anderen Studie herausgefunden). Letztendlich binden GLAMs an Makrophagen, ohne die Makrophagenmigration oder andere Funktionen zu beeinträchtigen.

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„Der eigentliche Prozess [der Herstellung von GLAMs] erwies sich als ziemlich kompliziert“, sagt Mitragotri. „Unser Team hat einige Jahre lang sehr fleißig daran gearbeitet, die Zubereitungsmethode vollständig auszuarbeiten.“ Das aktuelle Herstellungsprotokoll umfasst das Mischen von modifiziertem Gadolinium und Hyaluronsäure, das Gießen der Flüssigkeit in einen Wafer mit Vertiefungen darin und das Drehen des Wafers, um die Formen gleichmäßig zu füllen. Durch Einstrahlen von UV-Licht auf die geschleuderten Formen werden die Polymerketten vernetzt und ein fester GLAM gebildet.

Zukünftige Arbeiten umfassen detaillierte Studien zur Kinetik und Dosis-Wirkung von M-GLAMs im Gehirn sowie zur Weiterentwicklung der Technologie beim Menschen, wo Anwendungen die Diagnose und möglicherweise sogar die Behandlung von leichtem Schädel-Hirn-Trauma, Krebs und Autoimmunerkrankungen umfassen.

Diese Forschung ist veröffentlicht in Science Translational Medicine.

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