Verknüpfung der mikro- und makroskopischen Welten: Systematische Studie des Wasser-Makromolekül-Austausches als Basis des Ultra-Hochfeld-MRT Phasenkontrastes, CBBS

Das Projekt verbindet den mikroskopischen Wasser-Makromolekül (WM)-Austausch mit dem makroskopischen MRT Phasenkontrast, der mit Hilfe des 7-T MRT Systems im menschlichen Hirn entdeckt wurde. Als Grundlage für die weitere Entwicklung wird zunächst der WM-Austausch unter kontrollierten experimentellen Bedingungen mittels hochauflösender NMR-Spektroskopie charakterisiert. Unterschiedliche Makromolekül-Parameter, wie Molekülgröße, Molekulargewicht, Temperatur, pH-Wert, Viskosität, Ionenstärke etc. werden dabei berücksichtigt. Dies wird erweitert auf strukturelle Faktoren (Protein-Bestandteile, ?-Helix und ?-Blatt Bestandteile etc), die eng mit der Proteinkonfirmation verbunden sind. Proteinaufspaltung und 2D/3D NMR-Spektroskopie werden dabei genutzt, um Korrelationen zwischen strukturellen Faktoren und dem WM-Austausch-Effekt zu erforschen.Zur Erweiterung des WM-Austausch-Modells auf in vivo Quantifizierung ist eine qualifizierte Kenntnis der Makromolekül-Bestandteile in Hirn-Gewebe und deren Einfluss auf den Phasenkontrast nötig. Dazu werden systematische Untersuchungen an Gewebe-Extrakten von Mäuse-Hirnen aus unterschiedlichen Regionen (Cortex, Cerebellum, Striatum, Hippocampus, Thalamus, etc) und mit unterschiedlichen Zellbestandteilen, inkl. Zytosol, Myelin, Zellmembran und synaptischer Bestandteile gemacht. Die Makromolekülverteilung wird mit der in vivo Phasenbildgebung in Verbindung gebracht und Magnetisierungstransfer-Studien der gleichen Mäuse sollen quantitative Aussagen des Zusammenhangs möglich machen. Dies wird mit dem EAE Maus-Modell (Experimental Autoimmune Encephalomyelitis) untersucht, um multiple Sklerose (MS) näher zu untersuchen. Ein detailliertes Wissen über den WM-Austausch-Effekt und den in vivo Phasenkontrast aus den Tier-Studien bildet die Grundlage für eine quantitative Phasenbildgebungs-Studie mit MS Patienten.  Das Projekt bearbeitet folgende wissenschaftliche Fragestellungen: i. Wie wechselwirken Makromoleküle mit Wasser?ii. Ist es möglich, dynamische Konfirmationsänderungen von Proteinen mit Hilfe des WM-Austausch-Effektes zu beobachten?iii. Wie lässt sich die in vivo Makromolekülverteilung und deren Beitrag zum WM-Austausch-Effekt in der MRT-Phasenbildgebung bemessen? iv. Wie kann das WM-Austausch-Modell unter Einbeziehung von Makromolekül-Veränderung zur quantitativen Untersuchung von in vivo Pathologien genutzt werden?  Dieses Projekt basiert auf enger Zusammenarbeit zwischen der Abteilung für Biomedizinische Magnetresonanz, dem Institut für Chemie, der Abteilung Neurologie II der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und dem Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN).

Linking the Microscopic and Macroscopic World: Systematic Study of Water Macromolecule Exchange as a Basis for Ultra-High Field MR Phase Contrast Imaging, CBBS

The project aims at linking microscopic water-macromolecule exchange processes with the macroscopic MRI phase contrast detected at 7-T in the human brain. As the basis for further development, we will first characterize the WME interaction under carefully controlled experimental conditions with high resolution NMR spectroscopy.Different macromolecule parameters, such as molecular size, molecular weight, temperature, viscosity, pH, ionic strength etc. will be studied systematically. This will be extended to structural factors (protein sub-domains, ?-helix and ?-sheet content, etc), that are closely related to protein conformation. Protein cleavage and 2D/3D NMR spectroscopy will be used to study the correlation between structural factors and WME.To extend the WME model for in vivo quantification, a good understanding of the macromolecule distributions in brain tissues and their contributions to the phase contrast is required. This will be achieved by systematic macromolecule determination in tissue extracts from different mouse brain regions (cortex, cerebellum, striatum, hippocampus, thalamus, etc) and different cell components, including cytosolic, myelin, cell membrane, and synaptic fractions. The macromolecule distribution will be correlated with in vivo phase imaging and magnetization transfer studies of the same mouse to quantitatively determine the macromolecule contribution to the phase contrast. This will be further extended with an EAE (experimental autoimmune encephalomyelitis) mouse model to study multiple sclerosis. A detailed understanding of the WME and the in vivo phase contrast from animal studies will form the basis for quantitative phase imaging studies in MS patients.The project addresses the following main scientific questions: i. How do macromolecules interact with water? ii. Is it possible to observe dynamic protein conformation changes using WME? iii. What is the in vivo macromolecule distribution and its contribution to the WME frequency shift as determined by MR phase contrast imaging? iv. How can the WME model be used to study quantitatively in vivo pathologies involving macromolecule alternation? This project is based on a four-partner-network between the Department of Biomedical Magnetic Resonance, the Institute for Chemistry, the Dept. Neurology II, Otto-von-Guericke University, and the Institute for Neurobiology (LIN).