Wissenschaft + Forschung

Spinnentoxin sticht in Zellmembran |Die schwarze Witwe tötet Insekten und Krebstiere mit Latrotoxinen. Eines davon, α-Latrotoxin, wirkt nur auf Wirbeltiere und sorgt dafür, dass deren Muskeln krampfen. Wie nun Forschende der Universität Münster herausgefunden haben, formt ein Teil des 1381 Aminosäuren großen α-Latrotoxins einen 15 nm langen Stiel. Dieser dringt in die Zellmembran von Rezeptoren der Synapse ein und formt eine Calciumpore. Die Calciumionen strömen daraufhin unkontrolliert ein und setzen dadurch Neurotransmitter frei, was bereits bekannt war.Um das herauszufinden, haben die Forschenden die <link href="#nadc20244146965-fig-0001">Struktur des α-Latrotoxins bestimmt, bevor und nachdem sich die Pore gebildet hat. Dazu nutzten sie unter anderem Kryoelektronenmikroskopie, Molekulardynamiksimulation und Strukturmodellierung mit Alphafold2.<figure xml:id="nadc20244146965-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/wqxoFDIhQCCZmB58eXY0"><figcaption><label>Abb.1: </label>Universität Münster / AG Gatsogiannis</figcaption></figure></figure>Nat. Commun., doi: <accessionid ref="info:doi/10.1038/s41467-024-52635-5">10.1038/s41467-024-52635-5</accessionid>Stoff entdeckt, der Pilzgift freisetzt | l-(+)-Muscarin ist ein giftiger Pilzmetabolit. Manche Pilze sind jedoch giftiger, als ihr Muscaringehalt erwarten lässt. Wie eine Gruppe aus Jena nun herausgefunden hat, steckt 4‘-Phosphomuscarin im Mycel des rinnigbereiften Trichterlings. Dieses Derivat ist ungiftig, wird aber von Phosphatasen im Körper hydrolysiert – dabei setzt es Muscarin frei.Damit Toxikolog:innen und Notfallsanitäter:innen einschätzen können, wie giftig ein <link href="#nadc20244146965-fig-0002">Pilz ist, ist also auch der 4’-Phosphomuscaringehalt wichtig.<figure xml:id="nadc20244146965-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/MDWedctSzGJR4kuZoZLQ"><figcaption><label>Abb.2: </label>Pilzgifte</figcaption></figure></figure>Angew. Chem. Int. Ed, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1002/anie.202417220">10.1002/anie.202417220</accessionid>Mehr Spurenelemente belasten Küsten | Die Menge an schädlichen Spurenelementen an Küstengewässern steigt. Daran ist der Mensch doppelt schuld: direkt, indem er Gifte einträgt, und indirekt, indem er den Klimawandel fördert.Wie sich die Spurenelemente anreichern und Schaden anrichten, haben Forschende vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel zusammengestellt. Gletscher schmelzen, der Permafrost taut auf, Küsten erodieren und starke Fluten werden häufiger – all dies spült unter anderem Quecksilber in die Meere. Verglichen mit der vorindustriellen Zeit hat sich der globale Fluss von Quecksilber verdrei- bis sechsfacht und der von Blei verzehnfacht.Da Ozeane CO2 aufnehmen, werden sie saurer. Im saurem Milieu lösen sich Metalle wie Kupfer besser als in neutralem Wasser und sie liegen chemisch so vor, dass Lebewesen mehr davon aufnehmen. Das Wasser enthält mehr schädliche Spurenelemente – gleichzeitig nehmen Fische mehr Wasser auf. Denn höhere Temperaturen beschleunigen den Stoffwechsel und Sauerstoff löst sich schlechter in wärmeren Wasser. In der Folge atmen Fische an Küsten mehr und stärker belastetes Wasser.Commun. Earth Environ. doi: 10.1038/s43247–024–01679-yLuca Blicker

Gift

Spinnen, Pilze und Spurenelemente

Interskriptum

Es lebt ja jeder so in seiner Blase – und hält all das für normal, was sich in dieser so an Ritualen, Überzeugungen und Institutionen herausgebildet hat. Eines der Privilegien eines Wissenschaftsjournalisten ist, dass man sich in zwei Welten bewegen darf. Da ist einerseits die Welt der Wissenschaft mit ihren für Nichteingeweihte schwer zu verstehenden, ja teils bizarren Vorgängen. Ach, so schlimm ist es doch nicht, werden mir die Freunde aus der Akademia entgegenhalten. Na, dann versucht doch mal, den normalen Leuten zu erklären, was Peer Review ist, warum das die Leute freiwillig machen und warum trotzdem so viel Zeug publiziert wird, das kaum jemand liest …Tja, und dann andererseits die Journalistenblase. Nachrichtenwert, Zielgruppe, Hintergrundgespräch, Quellenschutz, vierte Gewalt, Hauptsache kritisch – klar, alles wichtig und richtig, aber eben auch so ganz anders als in der Wissenschaft.Einmal im Jahr dann die Symbiose: Da treffen sich ein paar Hundert Wissenschaftsjournalistinnen und -journalisten zur Fachkonferenz Wissenswerte, um Wichtiges, Trendiges und Identitätsbildendes aus ihrer Branche zu erfahren und darüber zu diskutieren. Dieses Jahr besonders schön: Unter all den spannenden Thema (KI, dann nochmal KI und dann noch ein paar andere) gab es endlich mal eine Podiumsdiskussion zu Chemie: „Nachhaltige Chemie – wie gelingt die Transformation in Deutschland“. Da finden mein Chemiker- und mein Journalistenherz Heimat – und das Thema ist auch für ein paar Dutzend Kollegen interessant genug, um auf die Parallelsession (KI, was sonst?) zu verzichten. Denn auch unter den Wissenschaftsjournalistinnen sind die Chemiker ein rares Völkchen.Das Podium ist diskussionsfreudig und kenntnisreich. Doch die größte Überraschung ist: die Überraschung des Auditoriums, dass die Chemie beim Recycling nicht schon viel weiter ist. Offensichtlich haben die Journalistenkollegen uns Chemikerinnen viel mehr zugetraut; im Wissenschaftsjournalismus scheint das Bild der Chemie als Problemlösungsdisziplin sehr präsent. Stimmt ja auch: Die Chemie kann die Welt retten. Aber wir sollten besser wirklich gleich morgen damit anfangen.Im Interskriptum schreibt Nachrichten-Chefredakteur Christian Remenyi über Chemisches und Komisches – und was sich sonst noch so im Zettelkasten der Redaktion findet. <a href="mailto:nachrichten@gdch.de">nachrichten@gdch.de</a>

Meinungsbeitrag

Los gehts mit dem Weltretten

Meldung

Notizen aus der Forschung

Blickpunkt Biowissenschaften

Wirkstoffe, mit denen Aids behandelt wird, verhindern die Krankheit, wenn sie prophylaktisch geschluckt oder gespritzt werden. Dies könnte die Bekämpfung der Epidemie revolutionieren – zumindest, wenn die Mittel zuverlässig verfügbar sind und auch so genutzt werden.Aids ist für viele in Europa eine Geschichte aus der Vergangenheit. Es ist die Pandemie, die in den 1980ern die Welt in Angst und Schrecken versetzte – denn es gab noch keine Behandlung, und das Forschungsgebiet der Retroviren war Neuland. Der Erreger wurde im Jahr 1983 entdeckt. Nach einigen Wirrungen um verschiedene Virusversionen, die sich letztlich doch als gleich herausstellten, von konkurrierenden <link href="#nadc20244145566-fig-0001">Arbeitsgruppen erhielt der Erreger den Namen humanes Immundefizienz-Virus (HIV).<figure xml:id="nadc20244145566-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/G2oJqsHQRCiL2ACRJYX7"><figcaption><label>Abb.1: </label>Bild: Pixel-Shot / Adobe Stock</figcaption></figure></figure>Heutzutage lässt sich die Krankheit behandeln und eine Ansteckung vermeiden. Das funktioniert aber nicht unbedingt dort, wo die Behandlung für viele Betroffene – etwa wegen fehlender Krankenversicherung oder geringer Kaufkraft im Land generell – unerschwinglich ist, etwa in den USA und im globalen Süden. Aids ist zwar kein unüberwindbares medizinisches Problem mehr, aber aus sozialen und politischen Gründen immer noch eine Epidemie.Höchststand an Neuinfektionen waren über 3 Millionen jährlich in den Jahren 1995 bis 2000. Im Jahr 2023 wurden weltweit 1,3 Millionen neue HIV-Infektionen registriert, 630 000 Menschen starben an den Folgen einer Infektion. Das Programm der Vereinten Nationen für HIV/Aids (UNAids) hatte das Ziel gesetzt, die Zahl der Neuinfektionen bis zum Jahr 2025 auf 500 000 zu senken. Das dürfte nicht erreicht werden.Am stärksten betroffen ist das südliche Afrika: In Eswatini (früher Swasiland), Lesotho, Botswana und Simbabwe sind mehr als 20 Prozent der Erwachsenen mit HIV infiziert. Südafrika hat mit 9,2 Millionen die meisten HIV-Infektionen, gefolgt von Tansania und Mosambik.Im Sommer 2024 gab es sensationelle Neuigkeiten, die diese Situation dramatisch verbessern könnten: die großflächige und prophylaktische Anwendung von Anti-Aids-Wirkstoffen.<h2 type="main">Vorher besser als nachher</h2>Solange kein Impfstoff verfügbar ist, gilt die Prä-Expositions-Prophylaxe (PrEP) als beste Methode, die Ansteckung mit HIV und damit auch die Aids-Erkrankung zu verhindern. PrEP bedeutet, regelmäßig einen Wirkstoff einzunehmen, der die Erkrankung verhindert, selbst wenn man der Ansteckungsgefahr ausgesetzt ist.Ein PrEP-Medikament ist seit Jahren im Einsatz: Das Aids-Medikament Truvada wurde von der US-Aufsichtsbehörde FDA im Jahr 2012 zusätzlich auch zur Prophylaxe in Risikogruppen zugelassen. Die Weltgesundheitsorganisation schloss sich dieser Empfehlung an.Dieses Präparat besteht aus einer täglich einzunehmenden Tablette mit den Wirkstoffen Emtricitabin – einem Analogon des Nukleosids Cytidin – und Tenofovir, einem Reverse-Transkriptase-Inhibitor auf Nukleotidbasis. Beide verhindern, dass sich die Viren vermehren. In den USA wird es für mehr als 2000 US-Dollar pro Person und Monat gehandelt. Doch inzwischen gibt es etliche Initiativen, die Nachahmerprodukte des Wirkstoffs auch in ärmeren Ländern der Bevölkerung zugänglich machen, die einem hohen Aids-Risiko ausgesetzt ist.Allerdings blieb das Risiko, sich mit HIV anzustecken, nahezu gleich bei denjenigen Frauen in afrikanischen Ländern, denen Truvada verschrieben wurde. Dies wird darauf zurückgeführt,1) dass die am meisten gefährdeten Frauen oft nicht die nötige Autonomie und Privatsphäre haben, um das Medikament zuverlässig jeden Tag einnehmen zu können. Denn PrEP wurde zunächst explizit an Hochrisikogruppen vermarktet und gilt deshalb jetzt als Stigma: Für Frauen kommt PrEP oft einem Eingeständnis der Promiskuität gleich, auch wenn vielleicht in Wirklichkeit ihre promiskuitiven Partner sie der Ansteckungsgefahr aussetzen.Wegen dieser Schwierigkeiten mit PrEP bei täglicher Tabletteneinnahme wurde es jetzt als enormer Fortschritt begrüßt, dass ein langanhaltendes Präparat ebenso wirksam schützt: Das bereits zur Aids-Behandlung zugelassene Lenacapavir bindet an Bausteine der Virusproteinhülle (des Capsids) und verhindert so, dass sich aktive Viren zusammenlagern. Damit ist der ganze Funktionszyklus des Virus unterbrochen, es kann keine neuen Zellen infizieren und sich somit auch nicht weiter vermehren.<h2 type="main">Studien mit Frauen und Männern</h2>Eine klinische Studie mit 5338 Teilnehmerinnen in Südafrika und Uganda testete das Medikament Lenacapavir. Es muss zweimal pro Jahr gespritzt werden, und die Studie verglich dies mit den etablierten PrEP-Tabletten. In dem Doppelblindversuch erhielten die Frauen entweder Wirkstoff-Injektionen und Placebo-Tabletten oder umgekehrt.2)Unter den 2134 Teilnehmerinnen, die Lenacapavir erhalten hatten, infizierte sich keine mit HIV. In den Vergleichsgruppen, die durch die wirksamen Tabletten geschützt sein sollten, diese aber vermutlich nicht wie vorgegeben nehmen konnten, gab es hingegen 55 HIV-Fälle. Von den 1068 Frauen, die Truvada erhielten, steckten sich 16 an (1,5 %), bei den 2136 Frauen, die das neuere Präparat Descovy bekamen, waren es 39 (1,8 %). Die Ansteckungsraten waren in diesen Gruppen nur leicht geringer als in der allgemeinen Bevölkerung.Aufgrund dieser eindeutigen Ergebnislage wurde das Doppelblindverfahren aus ethischen Gründen aufgehoben, als 50 Prozent der Teilnehmerinnen seit einem Jahr dabei waren. Die Teilnehmerinnen wurden informiert, in welcher Gruppe sie sich befanden, und durften wählen, welchen der drei Wirkstoffe sie von nun an nutzen würden. Die Studie läuft jetzt also im Open-label-Format weiter; interessant sind Faktoren wie Langzeitverträglichkeit und ob es doch Infektionsfälle gibt, die nur zu selten sind, um bei ein paar Tausend Teilnehmerinnen aufzufallen.Eine zweite Studie an Männern in Lateinamerika, Südafrika, Thailand und den USA erbrachte ebenfalls vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Spritze,3) es liegt aber noch keine wissenschaftliche Veröffentlichung vor.Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der afrikanischen Studie2) belief sich der Marktpreis für Lencapavir in den USA auf 42 250 US-Dollar pro Person und Jahr. In Reaktion auf die klinische Studie haben Expert:innen ausgerechnet: Generische Versionen des Wirkstoffs ließen sich sogar bei einem Verkaufspreis von 40 US-Dollar pro Person und Jahr noch gewinnbringend verkaufen, wenn mindestens 10 Millionen Menschen ihn regelmäßig nutzen. Diese Berechnung wurde im Juli bei der 25. Internationalen Aids-Konferenz in München bekanntgegeben.Im September stellte das US-Unternehmen Gilead, das Lenacapavir entwickelt hat, einen Plan vor: Partnerfirmen sollen den Wirkstoff herstellen und in 120 ärmeren Ländern zu erschwinglicheren Preisen verfügbar machen. Kritische Stimmen notierten allerdings, etliche Länder des wirtschaftlichen Mittelfelds etwa in Lateinamerika seien von dem Schema ausgeschlossen, obwohl dort viele Menschen Aids haben: Brasilien beispielsweise steht mit einer HIV-Prävalenz bei Erwachsenen von 1,5 Prozent auf Platz 47 der Weltrangliste.<h2 type="main">Soziale Verwicklungen</h2>Bis heute ist es unter anderem deshalb so schwierig, Aids zu bekämpfen, weil soziale Komplikationen wie Armut, mangelnde Gleichberechtigung, diverse Sexualverhalten und damit assoziierte Vorurteile entscheidend zur Ausbreitung der Krankheit beitragen – und diese Faktoren werden nicht immer offen angesprochen.Ebenso wie die täglichen PrEP-Pillen in Afrika an der mangelnden Autonomie der gefährdeten Frauen scheitern, könnte auch der Einsatz der Lenacapavir-Spritze unbeabsichtigte Nebenwirkungen haben. In Europa zum Beispiel zeichnet sich ab, dass sich Menschen wegen der Wirksamkeit von PrEP von anderen Vorsichtsmaßnahmen abwenden, etwa von Kondomen. Dies zeigt sich bereits in einer Zunahme von anderen sexuell übertragenen Infektionen, gegen die PrEP natürlich nicht im Geringsten hilft.Solche Reaktionen können den erhofften Erfolg der Lenacapavir-Spritze verringern und auch die wirtschaftliche Last für arme Länder auf andere Krankheiten verschieben. Möglicherweise würde – sind Aids-Erkrankungen erst einmal seltener geworden – die Motivation der Menschen sinken, sich alle sechs Monate Lenacapavir spritzen zu lassen. Dann würde zwar die Zahl der Erkrankungen sinken, aber nicht auf Null, was bedeuten würde, dass die Aids-Epidemie noch jahrzehntelang besteht. Eine dauerhaft wirksame Impfung wäre daher zu bevorzugen, doch die lässt noch auf sich warten.<h2 type="main">Wo bleibt die Impfung?</h2>In der Covid-19-Pandemie haben wir erlebt, wie innerhalb eines Jahrs nach der Identifizierung des neuartigen Erregers Impfstoffe entwickelt wurden.4) Bei <link href="#nadc20244145566-fig-0002">Aids erwies sich dies leider als nicht so einfach, und nach vier Jahrzehnten gibt es immer noch keine Impfung. Ein fundamentales Problem liegt darin, dass der Erreger wandlungsfähig ist und der von einem Impfstoff induzierten Immunreaktion ausweichen kann.<figure xml:id="nadc20244145566-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/7FpZfz3MSeyBrvtWwIEc"><figcaption><label>Abb.2: </label>So funktioniert die sequenzielle Impfung, die HIV-Immunität induziert. Es gibt mehrere Erkennungsstellen (Epitope) für breit neutralisierende Antikörper (bnAb) auf dem Glykoprotein-Baustein (Env) der Virushülle von HIV-1. Die CD4-Rezeptor-Bindungsstelle (CD4bs) und die V3-N332-Epitop-Cluster sind wichtige Ziele für das Keimbahn-Targeting (GT) impfstoffinduzierter breit neutralisierender Antikörper (bnAb). Bei dieser Strategie werden zunächst vorbereitende (priming) Immunogene mit starker Veränderung der Epitope eingesetzt (gekennzeichnet als Sterne), dann formende (shaping) Immunogene mit geringeren Veränderungen, und zuletzt aufpolierende (polishing) Immunogene, die dem nativen Wildtyp des virenassoziierten Hüllproteins ähneln. Die Sequenz soll B-Zellen dazu bringen, zu langlebigen bnAb-produzierenden Plasmazellen zu werden. nach 5)</figcaption></figure></figure>Eine vielversprechende Strategie induziert nicht die Bildung bestimmter Antikörper gegen bestimmte Erregermerkmale, sondern setzt im Immunsystem eine Stufe früher an – bei den Vorläuferzellen (B-Zellen), aus denen sich dann die Antikörper produzierenden Zellen entwickeln. Diesen Ansatz verfolgen Forschende am Scripps Research Institute und der International Aids Vaccine Initiative (IAVI), die im Mai 2024 vier vorklinische Studien dazu veröffentlichten.5)Unabhängig davon haben Forschende am Massachusetts Institute of Technology eine Methode entwickelt, die Resistenzbildung zu umgehen. Dazu sind sieben Impfungen nacheinander mit zunehmender Dosis innerhalb von zwei Wochen nötig. Das ahmt nach, was passiert, wenn das Immunsystem auf natürliche Weise einer Viruserkrankung ausgesetzt wird: Wenn die Virenlast zunimmt, verstärkt das Immunsystem seine Gegenmaßnahmen. Dieses Verfahren ist für Massenimpfungen allerdings zu umständlich. Deswegen suchte das Team nach Vereinfachungen und berichtete nun im September: Zumindest in Tierversuchen funktionieren auch zwei Impfungen mit der gleichen Gesamtdosis im Abstand von sieben Tagen, wenn 20 Prozent der Gesamtdosis beim ersten Mal verabreicht werden und 80 Prozent beim zweiten Mal.6)Für alle gegenwärtig untersuchten Impfstoff-Hoffnungen fehlt bisher der klinische Beweis, dass sie vor einer HIV-Infektion schützen. Da es nun eine zuverlässig wirksame Prä-Expositions-Prophylaxe gibt, wird es schwieriger, die für die Impfstoff-Entwicklung nötigen klinischen Studien zu rechtfertigen. Man müsste sich ihrer Wirksamkeit schon sehr sicher sein, um einen Einsatz im Doppelblindverfahren gegen einen so starken Schutz wie Lenacapavir verantworten zu können.<h2 type="main">Der Autor</h2>Der promovierte Chemiker Michael Groß arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://michaelgross.co.uk" target="_blank">michaelgross.co.uk</a><h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Solange kein Impfstoff verfügbar ist, gilt die Prä-Expositions-Prophylaxe (PrEP) als beste Methode, eine Ansteckung zu verhindern.Bisher sind PrEP-Medikamente nicht bezahlbar für die Menschen, die der größten Ansteckungsgefahr ausgesetzt sind. Generika sind nötig.PrEP senkt zwar die Aids-Zahlen, erhöht aber die Sorglosigkeit und damit die Häufigkeit anderer sexuell übertragbarer Krankheiten.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244145566-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244145566-bib-0001">1 S. Davoudpour, G. L. Phillips II, P. A. Serrano, A. L. French, S. G. Hosek, Sexes 2024, doi: <accessionid ref="info:doi/10.3390/sexes5030023">10.3390/sexes5030023</accessionid></li><li xml:id="nadc20244145566-bib-0002">2 L.-G. Bekker , M. Das, Q. A. Karim et al., N. Engl. J. Med. 2024, 391, 1179–1192</li><li xml:id="nadc20244145566-bib-0003">3 zur Gilead-Meldung: <url href="https://t1p.de/s7ixt"><a href="https://t1p.de/s7ixt" target="_blank">t1p.de/s7ixt</a></url> (Stand 9. Oktober 2024)</li><li xml:id="nadc20244145566-bib-0004">4 M. Groß, Nachr. Chem. 2021, 69(1), 50–53</li><li xml:id="nadc20244145566-bib-0005">5 R. W. Sanders, J. P. Moore, Science 2024, 384, 738–739</li><li xml:id="nadc20244145566-bib-0006">6 S. H. Bhagchandani, L. Yang, J. H. Lam, Sci. Immunol. 2024, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1126/sciimmunol.adl3755">10.1126/sciimmunol.adl3755</accessionid></li></ul>

Artikel

Vorbeugen mit Pille oder Spritze

Bei der Knoevenagel-Kondensation reagieren Ketone oder Aldehyde mit besonders CH-aciden Verbindungen. In der Regel beschränken sich Praktikumsvorschriften auf aromatische Aldehyde. Aber das muss nicht sein: Anregungen, die Reaktion abzuwandeln.Ein echter Klassiker in Vorlesungen und Praktika: die Knoevenagel-Reaktion.1) In seinem im Jahr 1898 publizierten Artikel berichtet Knoevenagel über die „Condensation von Malonsäure mit aromatischen Aldehyden durch Ammoniak und Amine“ zu α,β-ungesättigten Carbonsäuren (<link href="#nadc20244145390-fig-0001">Abbildung 1). Besonders Zimtsäure war von Interesse, denn sie war bis dahin schwer zugänglich, und von diesem Zeitpunkt an gehörte die Knoevenagel-Synthese zum Standardrepertoire der Praktika.<figure xml:id="nadc20244145390-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/pM9eYOZFQoGnYzRgu38A"><figcaption><label>Abb.1: </label>Zimtsäuresynthese von Knoevenagel publiziert im Jahr 18981) (R = Phenyl).</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Im Praktikum nur aromatisch?</h2>Dabei fällt auf: In Praktikumsvorschriften wie in Lit. 2) ist die Reaktion auf aromatische Aldehyde beschränkt. Werden aliphatische Aldehyde eingesetzt, entstehen ausgehend von Malonestern Alkylidenmalonsäureester. Ebenso lassen sich nach Oskar Doebners Vorschrift mehrfach ungesättigte Carbonsäuren wie Sorbinsäure herstellen.2,3) Mit aliphatischen Aldehyden werden dem Organikum zufolge Acrylsäuren erhalten. Im Brückner4) wird nun der Malonsäuremonoester dargestellt und dieser der Knoevenagelreaktion unterworfen – dabei entstehen allerdings nicht α,β-, sondern β,γ-ungesättigte Carbonsäureester.Es gibt mehrere Reaktionsführungen, die den Edukten angepasst sind. Die Knoevenagel-Doebner-Variante in siedendem Pyridin wird für aromatische Aldehyde eingesetzt (Abbildung 1). Die Reaktionsführung nach Cope ist basisch (<link href="#nadc20244145390-fig-0002">Abbildung 2, Weg A). Entscheidend für den Reaktionsverlauf ist hierbei offenbar das Edukt: Malonsäure, ihre Halb- oder Diester. Gut bekannt ist der Verlauf beim Einsatz der Ester: Nach Weg A (Abbildung 2) entstehen über β-Hydroxydicarbonsäureester I die nicht decarboxylierbaren Alkylidenester (3).<figure xml:id="nadc20244145390-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/qrUoXgkdTvm8Lv51IGo0"><figcaption><label>Abb.2: </label>Reaktionsunterschiede der Malonsäure oder -ester (1) mit Aldehyden (2) in Gegenwart von Triethylamin. Weg A: I reagiert zum Alkylidensystem (3). Weg B: I reagiert zu den α,β- oder β,γ-ungesättigten decarboxylierten Systemen (4) beziehungsweise (5).</figcaption></figure></figure>Was geschieht hingegen bei Weg B, wenn es also mindestens eine freie Carbonsäurespezies in I gibt? Dann werden Gemische aus α,β- und β,γ-ungesättigten Carbonsäuren (4) respektive (5) erhalten. Die mechanistischen Vorgänge zur Bildung des Michael-Systems (4) sind bestens untersucht und Teil der üblichen „Studierendenlektüre“ etwa im Brückner.5)<h2 type="main">Wie β,γ-ungesättigte Carbonsäuren entstehen</h2>Wie entstehen nun β,γ-ungesättigte Carbonsäuren (5)? Die ersten mechanistischen Untersuchungen zu diesem Thema lieferte E. J. Corey im Jahr 19526) in kinetischen Messungen an Malonhalbester-Derivaten und Untersuchungen zu Decarboxylierungstendenzen. Die eigentliche C-C-Knüpfung ist unstrittig und bildet die β-Hydroxydicarbonsäure I (Abbildung 2). Allerdings reagiert I kaum über Weg A, möglicherweise aufgrund der – infolge der Carboxylatmesomerie – schlechter ausbildbaren Enolatform. Weg B ist bevorzugt, hier wirkt das Carboxylat selbst als Base. Dies führt zur Deprotonierung in γ-Position, woraufhin die OH-Gruppe abspaltet. Nach der Decarboxylierung entsteht die entsprechende E-ständige β,γ-ungesättigte Carbonsäure (5). Besser lässt sich dieser intramolekulare Angriff durch eine Newman-Projektion oder via Dreiding-Modell7) erkennen: Die Deprotonierung erfolgt über einen quasi sechsgliedrigen Zustand und ist damit begünstigt (<link href="#nadc20244145390-fig-0003">Abbildung 3).<figure xml:id="nadc20244145390-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/fsc4XFQGmohUbgV467g9"><figcaption><label>Abb.3: </label>Links: Newman-Projektion der Doppelbindungsbildung. Rechts: dazugehöriges Dreiding-Modell (variiert und bearbeitet, hellgrün möglicher Angriffsbereich). Das Dreiding-Modell war die erste Methode, Vorhersagen für Reaktionsabläufe und stereochemische Vorhersagen zu treffen, lange vor quantenchemischen Rechnungen. Dreiding-Modell von Büchi, Bindungen und Atomkennzeichnungen mit Chemsketch ergänzt, hellgrüner Angriffsbereich wurde aus dem Modell eingefärbt.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Mischungen müssen nicht reizlos sein</h2>Nun sind aber Mischungen, vor allem Mischungen schwer trennbarer Substanzen wie (4) und (5), als Praktikumspräparate nicht sonderlich reizvoll, denn hier hätten Anfänger:innen keine Erfolgserlebnisse. Allerdings fanden wir in Wus Arbeiten eine einfache Reaktionsführung, die viele Probleme ausschließt.8) Hier läuft die Umsetzung einfach und kostengünstig in Triethylamin und Malonsäure, die Ausbeuten betragen zwischen 55 und 78 Prozent, und die 4:5-Regioselektivitäten liegen in der Regel bei 5:95. Zudem liegt das E:Z-Verhältnis bei 99:1 – perfekt für Praktika. Besonders, da die Chemikalienausgabe meist über die Edukte verfügt. Im Grundpraktikum der TU Ilmenau nutzen wir den „10-mL-Produktansatz“ als Zielsetzung, es sollen also 10 mL Produkt entstehen. Die <link href="#nadc20244145390-tbl-0001">Tabelle zeigt eine Übersicht geeigneter Aldehyde mit Malonsäure.<tabular xml:id="nadc20244145390-tbl-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/xrhQU8wjToWDkYrfL2Fb"><figcaption><label>Tab.1: </label>β,γ-ungesättigte Carbonsäuren aus Aldehyden und Malonsäure.</figcaption></figure></tabular><h2 type="main">Charakteristische Gerüche</h2>Die entstehenden Säuren haben bekannte, charakteristische Gerüche. Beispielsweise Hex-3,4-encarbonsäure: diffus käseartig, grün, milchartig mit wachsartigen Nuancen.9) Selbst der Geschmack ist beschrieben: grün, milchartig, gemüseartig mit Anklang von Melone, allerdings bei einer Konzentration von 1 Prozent oder 50 ppm. Die cis- und trans-Form kommt oft in Milchzubereitungen zum Einsatz, damit diese nach Milch schmecken oder riechen. Und auch natürlich kommt Hex-3,4-encarbonsäure vor, etwa in Bananen, Erdbeeren und Bier.10) Höhere Konzentrationen riechen penetrant – ein guter Indikator, wie sauber im Praktikumslabor gearbeitet wird. Längerkettige Homologe riechen wachsartig und sind schwächer im Geruch, da der Dampfdruck geringer ist.Um die Reaktion wassersparend durchzuführen, benutzen wir statt Wasserkühlung einen Luftkühler. Besonders effizient sind die käuflichen Systeme11) oder eine längere Vigreuxkolonne. Ebenso bequem, energie- und wassersparend lässt sich die Synthese in Parallelsynthese-Apparaten11) durchführen (<link href="#nadc20244145390-fig-0004">Abbildung 4).<figure xml:id="nadc20244145390-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/WyBildgQ6WDYiB7fibJZ"><figcaption><label>Abb.4: </label>Apparate und Luftkühler für die Parallelsynthese: I Radleys Carousel 6, II Luftkühler Radleys Findenser und III Asynt CondenSyn.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Reinigen</h2>Die kürzeren Carbonsäuren lassen sich im Membranvakuum destillieren, längerkettige sollten besser im Ölpumpenvakuum aufgereinigt werden. Eine kurze Vigreuxkolonne entspricht hier ihrem eigentlichen Zweck und genügt zur Aufarbeitung. Allerdings bleiben ein bis vier Prozent des α,β-Esters (4) zurück.8) Zur Notenfindung im Praktikum empfiehlt es sich, (4) und (5) aus der Reinheitsangabe via Gaschromatographie zusammenzurechnen.Statt zu destillieren, ist es möglich, das Rohprodukt (5) direkt in die korrespondierenden Ester (6) zu überführen. Das geht etwa nach der Vorschrift im Organikum1) oder in Form der Thionylchlorid/Ethanol-Variante. Die Ester (6) sieden niedriger und riechen angenehmer, nämlich stärker fruchtig, oft ananasartig und weniger käsig (<link href="#nadc20244145390-fig-0005">Abbildung 5). Längerkettige Ester riechen immer mehr kokos-ananasartig, das längstkettige Homologe (C11) riecht bananenartig.<figure xml:id="nadc20244145390-fig-0005"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/DWhocr37TyUccbJ1QpT2"><figcaption><label>Abb.5: </label>Veresterung der Säuren (5). a: EtOH, TsOH, Toluol; b: EtOH, SOCl2, katalytisch Dimethylaminopyridin.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Spektroskopisch untersuchen</h2>Alle spektroskopischen Daten der hier genannten Präparate sind im digitalen Forschungsdatenarchiv Chemotion13) hinterlegt, sodass auch die Spektren in Bildform vorliegen. NMR-Spektren wurden sowohl an einem praktikumstypischen 60-MHz-Tischgerät als auch mit 500 MHz gemessen. <link href="#nadc20244145390-fig-0006">Abbildung 6 zeigt einen Ester, der durch Veresterung des Rohprodukts über die Thionylchlorid/Ethanol-Methode hergestellt wurde. Die 5 cm lange Vigreuxkolonne genügte hier nicht, um die α,β- und β,γ-ungesättigten Ester zu trennen, weshalb noch die Signale 2‘ und 3‘ des α,β-Esters zu sehen sind. Das NMR-Spektrum lässt sich dennoch auswerten, auch wenn bei längerkettigen Säuren und Estern die CH2-Gruppen überlappen.<figure xml:id="nadc20244145390-fig-0006"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/UB4U04d5SsyrZ9D9dXac"><figcaption><label>Abb.6: </label>H-NMR-Spektrum (60-MHz-Tischgerät, Magritek, 100 mg Substanz in 0,5 mL CDCl3, 30 s Messdauer) und 13C-NMR-Attached-Proton-Test (wie zuvor, 60 min Messdauer). Typisch ist das schwache Carbonsäuresignal. Die Signalzuordnung zeigt das Vorhandensein der Michael-Verbindung, welche in 3‘, 2‘ gut detektierbar ist.</figcaption></figure></figure>Wir hoffen, den Praktikumsalltag mit diesen Synthesen ergänzen zu können – viel Erfolg.<h2 type="main">Der Autor</h2>Diesen Beitrag hat Eric Täuscher, Jahrgang 1981, verfasst. Er arbeitet an der Technischen Universität Ilmenau und forscht zu Farbstoffen und Hochschuldidaktik und leitet die Praktika OC1 bis 4. Die Versuche haben Moritz Jordan und Cathleen Wegener durchgeführt, die biotechnische Chemie an der TU Ilmenau studieren.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ui9zERTATlCYS2teA2xQ"><email><a href="mailto:eric.taeuscher@tu-ilmenau.de">eric.taeuscher@tu-ilmenau.de</a></email><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244145390-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244145390-bib-0001">1 E. Knoevenagel, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1898, 31, 2596</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0002">2 H. G. O. Becker; R. Beckert, Organikum, Wiley-VCH, 23. Auflage, 2009</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0003">3 O. Doebner, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1902, 35, 1136</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0004">4 R. Brückner, Praktikum Präparative Organische Chemie, Band 1, Spektrum Akademischer Verlag, 2009</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0005">5 R. Brückner, Reaktionsmechanismen: Organische Reaktionen, Stereochemie, Moderne Synthesemethoden, 3. Auflage; Springer Spektrum: Berlin, 2004</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0006">6 E. J. Corey, J. Am. Chem. Soc. 1952, 74(23), 5897</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0007">7 Dreiding-Modell von Büchi, mit Chemsketch wurden Bindungen und Atomkennzeichnungen ergänzt, hellgrüner Angriffsbereich wurde aus dem Modell eingefärbt.</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0008">8 Shi-Jie Zhang, Wei-Xiao Hu, Synth. Commun. 2010, 40(20), 3093</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0009">9 Informationen verfügbar auf: <a href="https://thegoodscentscompany.com" target="_blank">thegoodscentscompany.com</a></li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0010">10 M. Zviely, Perfumer &amp; Flavorist. 2012, 37(46), 48</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0011">11 Solche Systeme werden z.B. von Radleys oder Asynt als Erweiterungssysteme für Standardmagnetrührer angeboten.</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0012">12 Illustrationen gestaltet mit Freepik</li><li xml:id="nadc20244145390-bib-0013">13 Electronic Laboratory Notebook (ELN) &amp; Repository for Research Data, <a href="https://chemotion.net" target="_blank">chemotion.net</a></li></ul>

Knoevenagel kreativ statt klassisch

Bei der Magnetpartikel-Bildgebung (MPI) werden magnetische Partikel in die Blutbahn injiziert und sichtbar gemacht. Das geht schneller und ist teils weniger schädlich als Techniken, die aktuell in der Klinik eingesetzt werden. Bis MPI soweit ist, wird geforscht: Wie sich kürzlich herausstellte, lassen sich die Partikel in veränderter Umgebung wiederfinden, wenn sie in einer Polymerhohlkugel eingeschlossen sind.Magnetic-Particle-Imaging (MPI) ist die jüngste Bildgebungstechnik, die auf Magnetfeldern basiert. Forschende der Firma Philips in Hamburg haben die Technik im Jahr 2001 entwickelt.1,2) Bestimmt wird dabei die Verteilung magnetischen Materials in einer Probe – das Material sind typischerweise superparamagnetische Nanopartikel aus Eisenoxid und die Probe soll eines Tages der Mensch sein. Anders als bei der Magnetresonanztomographie (MRT) entsteht ein direktes Signal durch den Eisenoxid-Nanopartikel, wohingegen diese Tracer das Signal beim MRT löschen. Da im Körper Eisenoxid-haltige Verbindungen nicht natürlich vorkommen, gibt es bei MPI kein Hintergrundsignal. Das Gerät soll schneller messen und Echtzeit-Bilder ermöglichen. Außerdem soll MPI weniger schädlich als Computertomographie sein, da dort Patient:innen Röntgenstrahlung ausgesetzt sind. Aktuell löst MPI Bilder räumlich bis 500 µm und zeitlich bis 21 ms auf3), diese sind kontrastreich und empfindlich.4)Eisenoxid-Nanopartikel mit definierter Hülle sind nicht schädlich und für die klinische Anwendung zugelassen.5) Aktuell gibt es Kleintiergeräte, etwa von Bruker BioSpin. Klinische Geräte für Menschen werden aktuell entwickelt, dazu müssen die Magnete jedoch groß werden.<h2 type="main">Wie die Partikel Signale liefern</h2>Um Signale zu erzeugen, nutzt MPI Magnetfelder. Im Feld wird eine feldfreie Region (FFR) erzeugt (<link href="#nadc20244144687-fig-0001">Abbildung 1a), indem elektromagnetische Spulen mit statischem Gradientenfeld geschickt angeordnet werden. Tracer aus Eisenoxid, die sich in der FFR befinden, liefern die Bilder. Es wird ein oszillierendes äußeres Magnetfeld angelegt, das in der FFR wirkt (Abbildung 1b). Dadurch ändert im Tracer der magnetische Momentvektor die Richtung (Abbildung 1c, dargestellt durch schwarze Pfeile). Außerhalb der FFR sind die Tracer magnetisch gesättigt, sodass dort eine Änderung des Feldes die Magnetisierung so gut wie nicht beeinflusst.<figure xml:id="nadc20244144687-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/0djeTVsRkeIqJTdcOx4B"><figcaption><label>Abb.1: </label>Die Tracer in der feldfreien Region der Spule liefern beim Magnetic-Particle-Imaging das Bild. Dazu finden physikalische Prozesse statt (a–d), und die Signale werden mathematisch umgewandelt (e–g). Basierend auf Lit. 6–8.</figcaption></figure></figure>Die FFR wird nun innerhalb des Untersuchungsobjekts bewegt, um die Tracer an verschiedenen Stellen im Körper zu finden. Die FFR erreicht dabei auch tief liegende Regionen, sodass dort ohne Signalabschwächung und mit hohem Kontrast untersucht werden kann.6)<h2 type="main">Tracer</h2>Die Tracer in der MPI sind superparamagnetische Einzeldomänen-Eisenoxid-Nanopartikel. In einer Einzeldomäne zeigen die magnetischen Momente aller Atome in dieselbe Richtung; Nanopartikel bis etwa 25 nm können Einzeldomänen bilden.Um die Partikel in den FFR zu Signalen anzuregen, nutzt MPI sowohl oszillierende Magnetfelder zwischen 12,5 und 25 kHz als auch ein (quasi-)statisches magnetisches Gradientenfeld zur räumlichen Kodierung. Wie das äußere Magnetfeld Bex bei den Tracern zur Magnetisierung M führt, lässt sich annähern durch die sigmoidale Langevin-Funktion (Abbildung 1c). Bringt man die Tracer in ein oszillierendes Anregungsfeld Bex mit einer Amplitude A und einer Frequenz f0, oft 25,25 kHz, ändert sich die Magnetisierung M(t) abhängig von der Zeit (Abbildung 1d). Die Änderung ergibt sich durch die Langevin-Funktion, weil die Magnetisierungsfunktion nicht linear ist.Ableiten der zeitabhängigen Magnetisierungsänderung M(t) nach der Zeit t ergibt ein zeitabhängiges Signal dM/dt (Abbildung 1e), das eine Spannung in der Spule induziert (Faradaysches Induktionsgesetz).Die Spannungsänderung in der Spule wird ausgelesen und Fourier-transfomiert – so ergibt sich das Spektrum der Harmonischen n (Abbildung 1f). Bei der Magnetpartikel-Spektroskopie (MPS) ergeben sich aufgrund der Langevin-Funktion ausschließlich ungerade Harmonische, während beim MPI durch die Nutzung eines Gradientenfeldes auch gerade Harmonische entstehen. Die MPS-Daten lassen sich sowohl als Amplitudenspektrum oder als Orientierung der Phasenwinkel Φn darstellen (Abbildung 1g). Durch die Ortskodierung lässt sich das Tracersignal einem spezifischen Ort zuordnen, sodass sich durch Rekonstruktion das Bild ergibt.<h2 type="main">Vom Signal zum Bild</h2>Um Bilder zu rekonstruieren, gibt es zwei Ansätze: Der theoretische Ansatz nutzt ein Partikel-Modell und berechnet das Verhalten der Tracer im magnetischen Feld; er wird auch X-space genannt. Der messbasierte Ansatz heißt f-space oder messbasierte Systemmatrix-Rekonstruktion. Dort wird mit einer Abtast-Trajektorie eine repräsentative Probe an verschiedenen definierten Stellen im Magnetfeld gemessen. Daraus lässt sich eine Systemmatrix für die zu messende Probe ableiten. Mit der Matrix können die Magnetisierungseigenschaften im Magnetfeld beschrieben werden.Wie gut das magnetische Moment eines superparamagnetischen Nanopartikels dem oszillierenden Magnetfeld folgt, hängt von zwei Relaxationsarten ab (<link href="#nadc20244144687-fig-0002">Abbildung 2). Bei der Néel-Relaxation rotiert das magnetische Moment und folgt damit dem Magnetfeld – das Nanopartikel selbst bewegt sich nicht. Bei der Brown-Relaxation hingegen dreht sich das Nanopartikel zusammen mit dem magnetischen Moment. Bei superparamagnetischen Partikeln zwischen 10 und 25 nm treten beide Relaxationsarten auf, beide tragen zur Gesamtrelaxation bei, und somit sind beide maßgeblich für die Bildrekonstruktion. Die Néel-Relaxation hängt vor allem von der Temperatur ab, die Brown-Relaxation dagegen davon, wie schnell sich die Hülle um die Nanopartikel verändert – quantifizieren lässt sich das über die Viskosität.<figure xml:id="nadc20244144687-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/YjBu2kVOTJ6Jh0mMea56"><figcaption><label>Abb.2: </label>Relaxation im oszillierenden Magnetfeld: Bei der Néel-Relaxation rotiert nur das magnetische Moment mit der Feldänderung, bei der Brown-Relaxation dreht sich das ganze Nanopartikel.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Tracer umhüllen für bessere Bilder</h2>MPI nutzt überwiegend klassische Kern/Hülle-Nanopartikel. Wie schnell die Tracer dem Magnetfeld folgen, hängt sowohl von Néel- als auch von Brown-Relaxation ab. Die Brown-Relaxation ändert sich mit der Viskosität der Lösung, die die Tracer umgibt: zum Beispiel beim Injizieren in die Blutbahn oder wenn die Nanopartikel aggregieren. Da sich dadurch die Gesamtrelaxation ändert, kann es passieren, dass weder Partikel-Modell noch Systemfunktion die Probe in der neuen Umgebung erkennen. Das führt zu Artefakten beim Rekonstruieren der Bilder. Die Menge an Partikeln lässt sich dann ebenfalls nicht mehr bestimmen.Um Artefakte zu vermeiden, lassen sich die Rekonstruktionsmethoden optimieren – dieses physikalische Problem lässt sich aber auch chemisch lösen. Ein Ansatz sind neue Tracer-Architekturen: Dazu werden MPI-optimierte Tracer in eine Polymerhohlsphäre eingebettet. Das lässt sich mit einer Nano-Rassel vergleichen, bei der die Tracer-Partikel im Hohlraum die Viskositätsänderung oder Aggregation um sie herum nicht spüren. Dadurch bleibt die Gesamtrelaxation gleich, sodass sich in diesem Fall die Signale nicht ändern und die Bildrekonstruktionsmethoden die Nanopartikel-Tracer erkennen.Um die Hohlsphäre herzustellen, werden zunächst aus dem Tensid Pluronic P123 und Natriumoleat Mizellen gebildet (<link href="#nadc20244144687-fig-0003">Abbildung 3a). Kern/Hülle-Nanopartikel werden in der wässrigen Lösung suspendiert und im Inneren der Mizellen eingebettet (Abbildung 3b). Um eine permanente Hülle zu bauen, sind zwei Schritte nötig: Erst werden die polymerbildenden Reagenzien Dihydroxybenzoesäure (DHB) und Hexamethylentetramin (HMT) zugegeben, die sich an die Oberfläche der Mizelle lagern (Abbildung 3c). Wird die Lösung mit Mikrowellen auf 150 °C erhitzt, zerfällt HMT zu Ammoniak und Formaldehyd. Basisch polykondensieren DHB und Formaldehyd, wodurch sich die Monomere quervernetzen (Abbildung 3d). So entsteht die partikelgefüllte Hohlsphäre. Schließlich lässt sich die Oberfläche weiter funktionalisieren, da sie durch das DHB noch freie Carboxygruppen enthält. Diese wurden kovalent über Aminogruppen mit EuIII-haltigen Silica-Nanopartikeln lumineszenzfunktionalisiert (Abbildung 3e). Die fertigen Smart-Rhesin-Tracer sind somit sowohl magnetisch als auch lumineszent.9)<figure xml:id="nadc20244144687-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/npsLlYNBTAePiogeMMyo"><figcaption><label>Abb.3: </label>Die Smart-Rhesin-Tracer-Synthese:9) a) Nanopartikel und Tenside werden gemischt. b) Die Tenside bilden Mizellen und kapseln darin die Nanopartikel ein. c) Polymerbildende Reagenzien werden zugegeben. d) Anschließend werden sie polymerisiert und es bildet sich eine Hohlsphärenhülle. e) Ein EuIII-haltiges Luminophor funktionalisiert die Hohlsphärenhülle.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Magnetische Eigenschaften der Smart Rhesins</h2>Zusammen mit der Firma Bruker untersuchte unsere Gruppe die magnetischen Eigenschaften der Smart-Rhesin-Tracer mit Magnetpartikel-Spektroskopie (MPS). Mit MPS lässt sich prüfen, ob sich die Tracer für die MPI eignen, die komplexer ist.Die Spektren mit den Phasenwinkeln Φn (Abbildung 1g) zeigen, wie gut der magnetische Moment-Vektor der Nanopartikel auf die nichtlinearen Frequenzkomponenten reagiert.Anhand der Spektren lässt sich beobachten, wie sich die Nanopartikel bei höheren Harmonischen verhalten. Dazu wurden insgesamt vier Versuche durchgeführt: Um den Einfluss der Änderung der Gesamtrelaxation zu untersuchen, wurden die nativen Magnetit-Nanopartikel ohne Verkapselung getestet – beweglich in wässriger Lösung und immobilisiert in Agar-Agar (<link href="#nadc20244144687-fig-0004">Abbildung 4a, S. 59). In einem anderen Versuch wurden die Smart-Rhesin-Tracer ebenfalls in wässriger Lösung und in Agar-Agar untersucht (Abbildung 4c). Die höhere Viskosität in Agar-Agar beeinflusst die Brown-Relaxation und damit die Gesamtrelaxation. Die Amplituden bei den nativen Nanopartikeln (Abbildung 4a) unterscheiden sich je nach Viskosität, wohingegen die Amplituden der Smart Rhesins (Abbildung 4c) nahezu gleich bleiben. Deutlicher werden die Unterschiede bei der Darstellung als Phasenwinkel Φn (Abbildung 4b). Bei den nativen Magnetit-Tracern zeigen die Phasenwinkel teils 90° in verschiedene Richtungen; bei den Smart Rhesins sind sie bis zur Harmonischen n = 21 nahezu identisch, was auf eine nahezu gleichbleibende Gesamtrelaxation schließen lässt. Aktuelle kommerzielle Tracer, die für MPI optimiert wurden, liefern einen Beitrag bis etwa zur 20. Harmonischen (etwa 500 kHz), bei höheren Harmonischen gehen die Signale im Systemrauschen unter.<figure xml:id="nadc20244144687-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/9ahVuH5GTFTFNbuBFURX"><figcaption><label>Abb.4: </label>Vergleich zwischen Magnetit-Nanopartikel und Smart-Rhesin-Tracer mit Magnetpartikel-Spektroskopie (MPS) – beweglich in wässriger Lösung, immobilisiert in Agar-Agar: a) Die Amplituden An der Magnetit-Nanopartikel unterscheiden sich je nach Medium. b) Dadurch sind auch die Phasenwinkel Φn verschieden. c) Im mobilen und immobilisierten Smart-Rhesin-Tracer ähneln sich die Amplituden An. d) Der Phasenwinkel Φn im Smart-Rhesin-Tracer ähnelt sich ebenfalls stärker als in b).</figcaption></figure></figure>MPS zeigt also, dass das Verkapseln der Magnetit-Nanopartikel in Smart-Rhesin-Tracern zu einer nahezu gleichbleibenden Gesamtrelaxation führt. Tracer in Medien, bei denen die Viskosität schwankt, lassen sich so ohne Artefakte visualisieren.So leistete die Chemie einen wertvollen Beitrag, um ein physikalisches Problem zu lösen, was für die Behandlung von Patienten wichtig ist. Die Forschung wird sich darauf konzentrieren, diese Technik zu verfeinern und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Klinik zu erweitern.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Magnetic-Particle-Imaging (MPI) nutzt superparamagnetische Nanopartikel als Tracer. Ziel ist die klinische Diagnostik.Ändert sich die Viskosität um die Partikel herum, entstehen Bildartefakte – das liegt daran, dass sich die magnetische Relaxation ändert.Mit einer Polymer-Hohlsphäre liefern die Tracer zuverlässig Bilder, unabhängig vom Medium.<h2 type="main">Die Autorin</h2>Esther S. Rösch ist seit dem Jahr 2018 Professorin an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Karlsruhe im Studiengang Sustainable Science and Technology. Sie forscht vor allem an magnetischen und lumineszenten Nanopartikeln und deren biomedizinischen Anwendungen. Zuvor war sie Professorin für Bioanalytik an der Hochschule Pforzheim. Promoviert hat Rösch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ZJhAD8RWRzSkuaPj2h71"><h2 type="main">Bildgebung: Vom Jahr 1895 bis 2001</h2>Die Bildgebung in der Medizin begann mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen durch Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1895:10) Damals blickten Ärzte erstmals in den menschlichen Körper, ohne operieren zu müssen. In den 1950er Jahren wurden erstmals radioaktive Tracer verwendet, die sich an bestimmten Stellen im Körper anreichern – daraus ist die heutige Positronen-Emissions-Tomographie (PET) entstanden.11) Im Jahr 1973 ging aus den Entwicklungen die Computertomographie (CT) hervor, die ebenfalls auf Röntgenstrahlen basiert.12) Im selben Jahr folgte Bildgebung mit Kernresonanz (nuclear magnetic resonance, NMR)13) – Grundstein für die heutige Magnetresonanztomographie (Magnetic-Resonance-Imaging, MRI). Diese nutzt Magnetfelder für die Bildentstehung statt ionisierender Strahlen oder radioaktiver Substanzen. Im Jahr 2001 haben schließlich Forschende des Unternehens Philips Magnetic-Particle-Imaging entwickelt.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244144687-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244144687-bib-0001">1 B. Gleich, Deutschland, DE-10151778-A1, 2001, 1–15</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0002">2 B. Gleich, J. Weizenecker, Nature 2005, 435, 1214–1217</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0003">3 J. Sedlacik, A. Frölich, J. Spallek et al., PLoS One 2016, 11, 1–12</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0004">4 A. Meola, J. Rao, N. Chaudhary, G. Song, X. Zheng, S. D. Chang, World Neurosurg. 2019, 125, 261–270</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0005">5 A. C. Anselmo, S. Mitragotri, The AAPS journal 2015, 17, 1041–1054</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0006">6 J. Borgert, J. D. Schmidt, I. Schmale et al., J. Cardiovasc. Comput. Tomogr. 2012, 6, 149–153</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0007">7 P. Radon, N. Löwa, D. Gutkelch, F. Wiekhorst, J. Magn. Magn. Mater. 2017, 427, 175–180</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0008">8 S. Draack, M. Schilling, T. Viereck, Phys. Sci. Rev. 2021, 8, 213–237</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0009">9 J. Feye, J. Matthias, A. Fischer et al., Small 2023, 19, 1–13</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0010">10 W. C. Röntgen, Sitzungsberichte der Physik.-Mediz. Gesellschaft zu Würzburg 1895, 132–141</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0011">11 W. Sweet, Nucleonics 1953, 11, 40–45</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0012">12 J. Ambrose, Br. J. Radiol. 1973, 46, 1023–1047</li><li xml:id="nadc20244144687-bib-0013">13 P. C. Lauterbur, Nature 1973, 242, 190–191</li></ul>

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