Methoden zur Evaluation von Zytotoxizit¨at und Struktur ... - OPUS

4.4 Transversale Relaxation als Indikator für Zellwachstum 141
4.4.2 Chemischer Austausch
Betrachtet man im Kulturmedium, welches in der Regel aus einer Protein-Wasser-
Mischung besteht, das Wassersignal, so kann es sich dabei um Protonen aus gebun-
denem Wasser, freiem Wasser oder um protonierte basische oder saure funktionel-
le Gruppen des Proteins wie -NH, -NH2, -OH, -SH und COOH handeln [108]. In
jedem Zustand unterscheiden sie sich bezüglich ihrer translatorischen Mobilitäten,
ihrer Larmorfrequenzen und ihrer unterschiedlichen lokalen Relaxationsraten. Die
theoretische Betrachtung der Fluktuation zwischen unterschiedlichen Zuständen wird
üblicherweise als chemischer Austausch bezeichnet und basiert auf den erweiterten
Bloch-Gleichungen von McConnell [172] (Abschnitt 3.5.2.2). Spektroskopisch kann der
schnelle chemische Austausch als Linienverbreiterung des austauschenden Protons be-
obachtet werden [18]. Eine Temperatur- und pH-Abhängigkeit der Linienbreite auf-
+ NH3 N
H
N
O
Abbildung 4.56:
Cytosin
grund des chemischen Austausches wurde z. B. für das Aminoproton
der Nucleinsäure Cytosin beschrieben [171]. Bei einem komplexen N-
Spin-System, wie es bei Bakterienkulturen vorliegt, wird eine quanti-
tative Auswertung spektroskopisch jedoch sehr schwierig. Die Bildge-
bung ermöglicht dagegen Änderungen des chemischen Austausches
während der Zellproliferation global mitzuverfolgen. Der Diffusions-
koeffizient, welcher mit einer pulsed-field-gradient-spin-echo-Sequenz
(PGSE) gemessen werden kann, ist zwar ein möglicher Parameter, er-
fordert jedoch für die Charakterisierung von Bakterienkulturen extrem
starke Gradienten [209], die bei den meisten Gradientensystemen nicht verfügbar sind.
In der Diplomarbeit von M. Oechsner [192] konnte am Teststamm E. coli gezeigt wer-
den, dass sich in der Bildgebung der Parameter T2 zur Beschreibung des Zellwachs-
tums von Bakterienkulturen am besten eignet. Er kann mittels Carr-Purcell-Meiboom-
Gill(CPMG)-Sequenz [174] gemessen werden und zeigt im Vergleich zur longitudi-
nalen Relaxation und dem Magnetisierungstransferkontrast die wachstumsbedingten
Änderungen am ausgeprägtesten. Die transversale Relaxation unter dem chemischen
Austausch beinhaltet zum einen die Fluktuation der Protonen selbst und zum ande-
ren den innewohnenden Relaxationsprozess und ist in der Literatur solide beschrieben
(Abschnitt 3.5.2.2).
4.4.3 Anwendungsbreite des Parameters T2
In der Diplomarbeit von M. Oechsner [192] konnte zwar die Eignung der transversalen
Relaxation zur Beschreibung der Zellproliferation am Beispiel E. coli gezeigt werden,
doch gab es keinen Hinweis darauf, inwieweit die Methode auf andere Bakterienar-
ten anwendbar war. Aufschluss darüber sollten die charakteristischen T2-Kurven der
vier bereits kapillarelektrophoretisch analysierten und standardisierten Bakterienspe-