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Magnetresonanztomografie Magnetresonanztomografie in der Pharmazeutik

Autor / Redakteur: Hendrik Metz* und Karsten Mäder* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die heutige Medizin kommt ohne bildgebende Verfahren nicht mehr aus. Die Bedeutung der nichtinvasiven Diagnostik nimmt bei der Erkennung und Behandlung von Krankheiten zu. Doch auch für die Kontrolle der Wirkungsweise neuer Medikamente kann diese Technik eingesetzt werden.

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Alles begann mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung vor 113 Jahren. Vor 25 Jahren startete der Siegeszug der Magnetresonanztomografie (MRT). Die Computertomografie (CT) zur Darstellung dreidimensionaler Röntgenbilder, die Positronenemissionstomografie (PET), Ultraschall und die Magnetresonanztomografie sind die wichtigsten etablierten Verfahren, die sich bei der Aufklärung anatomischer Details und dem Nachweis krankhafter Veränderung im Organismus ideal ergänzen.

Die Magnetresonanztomografie ist eine Methode, die auf der Kernresonanz (Mag-netresonanz, NMR) von Protonen basiert und deshalb auch NMR-Imaging, MRI oder MRT genannt wird. Sie hat sich als besonders geeignet für die Darstellung von weichem Material wie Gewebe, Knorpel und Körperflüssigkeiten erwiesen, die einen hohen Wassergehalt besitzen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Protokollen entwickelt, um die unterschiedlichsten Fragestellungen in der medizinischen Diagnostik zu beantworten. Das Ziel war es, den Kontrastunterschied zwischen den unterschiedlichen Gewebearten zu optimieren, um deren Grenzen und deren Veränderungen optimal zu erkennen.

Vorteile der MRT-Methode

Die Magnetresonanztomografie beruht auf einer Methode, bei der durch Einstrahlung einer Radiowelle mit einer Frequenz im Bereich von 5 bis 300 MHz Protonen aus einem energetischen Grundzustand in einen angeregten Zustand überführt werden. Dort verbleiben die Protonen eine Weile, meist zwischen 10 und 900 ms, und kehren dann in den Grundzustand zurück – ein Prozess, den man Relaxation nennt. Dabei wird die absorbierte Energie der Radiowelle in Wärme umgewandelt. Damit sich ein Körper dadurch nicht zu sehr erwärmt, muss die Leistung der eingestrahlten Radiowellen begrenzt werden. Das wird bei einem MRT in der klinischen Diagnostik über die Eingabe der Körpermasse des Patienten geregelt.

Die detektierte Signalintensität hängt von der Anzahl der Protonen bzw. der Wassermoleküle in einem Volumenelement ab. Bei einem Körperdurchmesser von etwa 600 mm und einer maximalen Auflösung von 512 Bildpunkten ergibt sich eine räumliche Auflösung von 1,2 mm für ein zweidimensionales Bild. Dabei muss man beachten, dass das Bild eine Schichtdicke von minimal 3 mm repräsentiert.

Für die Analyse kleinerer Objekte ist diese räumliche Auflösung nicht ausreichend und die Begrenzung der Radiowellenleistung nicht notwendig. Deshalb wurden NMR-Tomographen entwickelt, die für Objekte mit einem Durchmesser von 20 mm optimiert sind.

Eine ähnliche Entwicklung gab es auch auf dem Gebiet der Röntgen-CT, wo für kleinere Proben Micro-CT‘s auf dem Markt sind. Diese speziellen Benchtop-NMR-Imager besitzen natürlich einen viel kleineren Probenraum, wodurch auf den Einsatz von supraleitenden Magnetsystemen verzichtet werden kann, was die Anschaffungs- und Betriebskosten drastisch reduziert. Durch den kleineren Probendurchmesser können die für die räumliche Information notwendigen Gradientenspulen viel näher zusammenrücken, was viel stärkere Gradienten erlaubt und dadurch die räumliche Auflösung deutlich verbessert. Bei einem Probendurchmesser von 10 mm sind mit dem Gerät von Oxford Instruments, die am Institut für Pharmazie eingesetzt werden, 128 x 128 Bildpunkte möglich. Theoretisch ergibt sich daraus eine maximale Ortsauflösung von 0,078 mm.

Die maximale Auflösung ist aber in den seltensten Fällen praktikabel. Wie erwähnt, wird in der MRT ein Volumeneffekt detektiert. Eine Verkleinerung des Volumens führt zu einer proportionalen Verlängerung der Messzeit. Da in den vorgestellten Untersuchungen relativ schnelle zeitabhängige Prozesse untersucht werden, müssen die NMR-Bilder in Zeitintervallen von fünf bis maximal zehn Minuten generiert werden. Deshalb wird für die Bilder meist ein Ausschnitt von 20 x 20 mm mit einer Auflösung von 64 x 64 Bildpunkten bei einer Schichtdicke von minimal 3 mm gewählt. Das ergibt eine ausreichende zweidimensionale räumliche Auflösung von 0,313 mm bei Messzeiten zwischen fünf und zehn Minuten. Die Messdauer hängt von weiteren Parametern ab, die hier nicht weiter diskutiert werden sollen.

Freisetzung von Medikamenten

In der pharmazeutischen Technologie und in der Arzneimitteltherapie spielt die Tablette immer noch eine dominierende Rolle. Tablettengrundstoffe sind häufig modifizierte Cellulosen, Stärken und Laktose, die beim Kontakt mit Wasser quellen, Gele bilden oder sich auflösen. Die Freisetzung eines Arzneistoffes im Körper aus einer Tablette setzt in jedem Fall die Lösung des Arzneistoffes in Wasser voraus; ob sich dazu die Tablette auflöst oder das Wasser nur eindringt und der gelöste Arzneistoff aus der stabilen Tablette heraus diffundiert, spielt nur eine untergeordnete Rolle. Das Ziel ist in der Regel eine kontinuierliche Arzneistofffreigabe über einen längeren Zeitraum.

Um dies zu erreichen, wurden viele unterschiedliche pharmazeutische Hilfsstoffe eingesetzt, die meist homogen verteilt sind (Matrixsysteme) oder als Überzug aufgebracht werden (z.B. Filmtabletten). Die Freisetzungsgeschwindigkeit wird durch verschiedene sich überlagernde Prozesse (Wassereinstrom, Quellung, Auflösung) bestimmt.

Die Benchtop-MRT eröffnet nun die Möglichkeit, wichtige Prozesse zerstörungsfrei und online zu untersuchen. Dadurch können Tabletten gezielt optimiert werden.

Bildliche Darstellung der Verläufe

Das NMR-Bild entsteht primär durch die Protonen des in die Tabletten eindringenden Wassers. Die Protonen der Tablettenbestandteile sind im trockenen Zustand zu unbeweglich, um zur Signalbildung direkt beizutragen. Wie erwähnt wächst die Signalintensität mit der Konzentration der Protonen. Es gibt aber auch einen zweiten Effekt, der das Signal beeinflusst. Viele Makromoleküle bilden Hydrathüllen aus. Die Relaxation der Wassermoleküle wird dadurch verkürzt. Dieser Prozess der Verkürzung der Relaxationszeiten des gebundenen Wassers und die Konzentrationsabhängigkeit sind häufig so stark miteinander verflochten, dass eine quantitative Analyse des NMR-Bildes erschwert ist. Die Fälle, in denen das Signal primär durch die Konzentration determiniert ist, und der Fall des Einflusses der Relaxation sind in Abbildung 1 dargestellt.

Um den Effekt des Wassereindringens zu analysieren, wurden 12 mm lange Zylinder aus Ethylcellulose und Eudragit hergestellt und von oben mit Wasser überschichtet. Anschließend wurden in unterschiedlichen Zeitabständen die MRT-Bilder aufgenommen und die Intensitätsprofile ausgewertet. Für Ethylcellulose ergeben sich die erwarteten diffusionsgesteuerten Intensitätsprofile, da die Relaxation der Wassermoleküle durch die Moleküle der Matrix kaum beeinflusst wird. Dahingegen wird durch die Eudragitmoleküle die Relaxation des Wassers so stark modifiziert, dass ein Intensitätsplateau entsteht und nur eine wandernde Diffusionsgrenze sichtbar ist.

In Abbildung 2 sind die MRT-Bilder von Tabletten dargestellt, die aus einem Material hergestellt sind, das eine Gelschicht ausbildet. Dabei handelt es sich um die modifizierten Cellulosen Hydroxyethylcellulose (HEC) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). Die Gelschichten steuern die Geschwindigkeit des von außen eindringenden Wassers und wirken gleichzeitig als Diffusionsbarriere für die gelösten Arzneistoffmoleküle. Diese Gelschichten bilden sich in etwa zehn Minuten nach dem Kontakt mit Wasser aus. In Abbildung 3 ist eine Zwei-Schicht-Tablette gezeigt. Eine Schicht soll für das Schwimmen der Tablette im Magen sorgen. Es ist sichtbar, dass das Wasser aber auch zwischen die beiden Schichten eindringt und die Funktion beeinträchtigt sein kann, falls sich die Auftriebsschicht komplett ablöst.

Wie auch in der klinischen Anwendung kann man Relaxationsreagenzien einsetzen, um den Kontrastunterschied zwischen krankem und gesundem Gewebe zu verstärken. Dazu werden meist paramagnetische Ionen oder superparamagnetische Teilchen eingesetzt. In Abbildung 4 ist ein Collagen-Scaffold dargestellt, der mit Zellen besiedelt ist, die mit Eisenpartikel gefüttert wurden, um sie deutlicher sichtbar zu machen.

Abbildung 5 zeigt die zeitabhängige Diffusion von Kupferionen in ein Chitosangel. Das Gel wurde mit einer Kupfersulfat-Lösung überschichtet.

Erweiterte Anwendungsmöglichkeiten

Die Palette der Anwendungsmöglichkeiten ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Dieser Beitrag zeigt nur einen Querschnitt des Einsatzgebietes der Magnetresonanztomografie in der pharmazeutischen Technologie auf. Aufgrund des dynamischen Verhaltens der Systeme ist es aufwändiger, die optimalen experimentellen Parameter zu finden als in der klinischen MRT. Jedes neue System erfordert eine spezielle Optimierung der Messbedingungen, um möglichst aussagekräftige Bilder generieren zu können. Das Benchtop-Gerät ist auch mit einer Temperierung ausgestattet, die Messungen zwischen -50 und 200 °C erlaubt. Für die Untersuchungen an Tabletten steht eine Durchflusszelle zur Verfügung.

*Martin-Luther-Unversität Halle-Wittenberg, Institut für Pharmazie, 06120 Halle/Saale

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