Design and Functionality of a Calcium-Responsive CEST Contrast Agent for Hyperpolarized Nuclei

Abstract

Diese Dissertation beginnt mit der Zielsetzung des Projekts, aus dem diese Promotion entspringt. Die Einleitung führt zunächst in die Grundkonzepte molekularer Biosensoren und intrazellulärer Kalziumsignale ein. Zentrale Moleküle wie Calmodulin und Cryptophan, sowie Schlüsselthemen wie NMR, insbesondere Xenon-NMR , spin-hyperpolarisation und HyperCEST-NMR werden vorgestellt. Diese sehr unterschiedlichen Themen werden außerdem in einen Zusammenhang gebracht. Die zentrale Rolle der Kalziumionen in der intrazellulären Kommunikation wird in diesem Zusammenhang erklärt. Diese intrazellulären Signale bilden einen Grundpfeiler der Motivation für dieses Projekt. Das Kapitel „Responsive MR Sensors for Ca2+ Detection” veranschaulicht die Entwicklung von Ca2+ - Biosensoren in der Forschung. Im Verlauf der Forschung und Entwicklung an Ca2+ - Biosensoren sind viele und vielseitig nutzbare Biosensoren entstanden, die sich immer spezifischer und empfindlicher auf Kalziumsignale reagieren können. Auch die Verträglichkeit und Biokompatibilität dieser Biosensoren wird stetig verbessert. Die Forschung rund um Ca2+ - Biosensoren und Ca2+ - Bildgebung wird von Forscherinnen vieler verschiedener Fachrichtungen betrieben, von denen jede einen eigenen Blick auf Kalziumsignale und die ihnen zugrundeliegenden zellulären oder neuronalen Prozesse beiträgt. Diese Diversität wird auch in den vielen Möglichkeiten, Kalziumsignale zu messen, wiedergespiegelt. Allein für die Kernspinresonanz gibt es dafür unterschiedliche Ansätze, und es werden fortlaufend neue entwickelt. Nach diesem Exposée wird das Zeil dieser Promotionsarbeit konkret und kurz formuliert. Anschließend werden die Ergebnisse im Kapitel „Results“ beschrieben. Im darauf folgenden Kapitel „Discussion“ werden diese Ergebnisse dann interpretiert und diskutiert. Das Kapitel „Summary, Conclusion and Outlook“ fasst die Schlussfolgerungen aus der Diskussion zusammen, um am Ende zu Schlussfolgerungen aus diesem Projekt zu gelangen. Ein Ausblick wird danach gegeben, in dem Gelegenheiten beschrieben werden, aus anderen Fachgebieten gegebenenfalls an das Projekt anzuknüpfen. Alle verwendeten Methoden und Materialien sind am Ende der Arbeit beschrieben.

This thesis starts out by introducing the objective of the project. This first chapter also provides the reader with a basic understanding of the key principles of Molecular biosensing, intracellular calcium signaling and CaM, Cryptophane, NMR, Xenon NMR and Xenon HyperCEST in particular. The connection between all these very different topics will be provided alongside, in the introduction. The importance of intracellular calcium signaling is explained as part of the motivation for this project. The chapter "Responsive MR Biosensors for Ca2+ Detection" illustrates the development of Ca2+ biosensing in research. This history of investigations resulted in many useful biosensors, which are becoming increasingly sensitive, specific and biocompatible. The chapter illustrates that there is a community of researchers, large and diverse in their fields, which pursue Ca2+ biosensing and imaging and the thereby gained possibilities to study neuronal patterns of all kinds and more. It also describes the many possibilities to measure and report intracellular Ca2+, and how different approaches are used to measure that in NMR. The aim is outlined and stated afterward, to clarify the motivation and objective of the project. Then, the results of the study are described in the chapter "Results". Afterwards, the results are discussed and interpreted in the chapter "Discussion". The chapter "Summary, Conclusion and Outlook" features a short summary of the discussion, after which conclusions from the entire project are drawn. An Outlook is provided afterwards, to illustrate connection points for further research, or follow-up projects. Materials and Methods are explained at the end, as a repository of further information.