DE3590398T1 - Magnetische Mikroteilchen als Kontrastmittel für magnetische Kernresonanzabbildung - Google Patents

Description

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MAGNETISCHE MIKROTEILCHEN ALS KONTRASTMITTEL FÜR DIE MAGNETISCHE KERNRESONANZABBILDUNG

von Truman Brown

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung in der magnetischen Kernresonanz (NMR)-Abbildung und insbesondere^erwendung von gewebespezifischen magnetischen Mikroteilchen als kontrastverbessernde Mittel bei der NMR-Abbildung.

Die NMR-Spektroskopie wird seit einer Reihe von Jahren als Analysentechnik für organische chemische Strukturbestimmungen verwendet. Diese Technik beruht auf den magnetischen Eigenschaften von ungerade Zahlen von Protonen und Neutronen enthaltenden Kernen. Die Kerne besitzen einen Drehimpuls, der in Verbindung mit ihrer Ladung ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Achse längs der Spinachse jedes Kerns ausgerichtet ist. Die Einwirkung eines Magnetfeldes auf die Kerne bewirkt eine Änderung der natürlichen Spinrichtungen, die sich entweder mit oder gegen das einwirkende Feld ausrichten. Außerdem führen die Kerne bei einer kennzeichnenden Frequenz eine Präzessions - bzw. Rotationsbewegung um ihre Achsen aus.

Der Rotationswinkel kann durch Absorption elektromagnetischer Energie durch ein als Resonanz bekanntes Phänomen geändert werden, was die Einwirkung eines zweiten Magnetfeldes von entsprechender Frequenz zur Anpassung an die ihrer normalen Präzession auf die Kerne umfaßt. Wird das zweite Magnetfeld unterbrochen oder hört es auf einzuwirken, kehren die Kerne in ihren ursprünglichen Präzessionszustand zurück, wobei sie Funk signale von meßbarer Abklingrate bzw. Relaxationszeit erzeugen. . Die Spingitterrelaxationszeit - (T₁) ist die Rate, . bei der sich die Spinenergie in Wärmeenergie umwandelt und auf die zu untersuchende Atom- oder Molekularanhäufung über-

tragen wird. Die Spin-Spin-Relaxationszeit (T„) ist die Rate, bei der die Spinenergie der Kerne in einem

hochenergetischen Zustand auf die benachbarten Kerne übertragen wird. Das durch einen beliebigen Kern erzeugte Funksignal weist eine vom umgebenden chemischen Medium abhängige kennzeichnende Relaxationszeit auf.

In jüngster Zeit wurde die NMR-Technik weiterentwickelt und verfeinert, wodurch ein potentiell wertvolles diagnostisches Instrument bereitgestellt wurde, das eine Sicht- barmachung von Körpergewebe ermöglicht. Dabei ist es möglich, zwischen abnormem und normalem Gewebe zu unterscheiden, wie z.B. zwischen einer Läsion und dem umgebenden normalen Gewebe, und zwar auf der Basis der Unterschiede in den Spingitter- und/oder Spin-Spin-Relaxationszeiten. Es können bemerkenswert klare Bilder erhalten werden, die zur Kennzeichnung pathologischer oder physiologischer Prozesse in verschiedenen Organen, einschließlich des Gehirns, der Nieren und des Herzens verwendet werden können.

Bei der Durchführung der NMR-Abbildung bedient man sich zur Einführung eines Signals in die benachbarten Empfängerwicklungen einer geeigneten Funk frequenzimpulsfolge (Sättigung-Erholung, Inversion-Erholung oder Spin-Echo). Genaue Frequenz, Phase und Stärke desSignals werden durch eine

als "Fourier-Transformierte" bekannte mathematische Funktion ermittelt. Die Signale werden einer Schattierungsintensität zugeordnet, die einen Computer in die Lage versetzt, die Ergebnisse in ein Bild des jeweils zu untersuchenden Organsystems umzuwandeln.

In den letzten Jahren wurde häufig beschrieben, daß Kontrastmittel die diagnostische Verwendbarkeit der NMR-Abbildung stark begünstigen können. Kontrastmittel erhöhen den Signalunterschied, der sich zwischen magnetisch ähnlichem, jedoch histologisch unterschiedlichem Gewebe fest-

stellen läßt, wobei man Bilder mit stärkerem Kontrast erhält, was eine maximale diagnostische Information gewährleistet.

Der Wirkungsmechanismus der spezifischen magnetischen Mikroteilchen, die erfindungsgemäß als NMR-Kontrastverbesserungsmittel verwendet werden, ist zu unterscheiden von dem bei den üblicherweise in der Radiographie verwendeten jodierten Kontrastmitteln. Die magnetischen Mikroteilchen verändern die magnetische Umgebung in dem zu untersuchenden Organsystem und zwar im Sinne einer Erhöhung der Protonenrelaration durch Verminderung der Spin-Spin-Relaxationszeit. Die Kontrastverbesserung kommt somit indirekt durch die Wirkung des magnetischen Mikroteilchens auf die benachbarten Kerne zustande. Demgegenüber haben die in der Radiographie allgemein verwendeten jodierten Kontrastmittel eine hohe Elektronendichte und bewirken den Kontrast unmittelbar.durch Absorption der Röntgenstrahlen. Derartige Mittel beeinflussen im allgemeinen Protonen-NMR-Signale nicht und können daher nicht als Kontrastmittel bei der NMR-Abbildung fungieren. Außerdem wirken die hier beschriebenen NMR-Kontrastmittel im Gegensatz zu jodierten nicht unmittelbar auf die Abbildung ein, da die Kontrastverbesserung durch die auf die benachbarten Kerne ausgeübte magnetische Wirkung zustande-5 kommt.

Eine als NMR-Kontrastverbesserungsmittel in Frage kommende Substanz muß einer Reihe von Kriterien genügen. Das Kontrastmittel sollte aus relativ billigen Ausgangsstoffen leicht herstellbar und chemisch beständig sein sowie in einer für die Verabreichung geeigneten Form ohne weiteres gelagert werden können. Wichtiger ist noch, daß das Kontrastmittel bei relativ niedrigen Konzentrationen einen entsprechend starken Einfluß auf die Protonenrelaxationszeiten ausübt, jedoch im wesentlichen frei von toxischen Effekten oder anderen unerwünschten Nebenwir-

kungen bei geeigneter Dosierung ist. Außerdem sollte das Kontrastmittel gewebespezifisch sein, d.h. es sollte eine selektive Gewebeuntersuchung ermöglichen. Außerdem muß das Kontrastmittel in vivo beständig sein und schließlieh inaktiviert oder ausgeschieden werden. Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer Abbildung von tierischem Gewebe durch magnetische Kernresonanzabbildung bereitgestellt, welches das Binden eines magnetischen Mikroteilchens an das Gewebe, dessen Abbildung gewünscht ist, wobei das magnetische Mikroteilchen ein magnetisches Material aufweist, das mit einer Substanz gekoppelt ist, welches eine Bindeaffinität für das Gewebe hat, in einer Menge aufweist, die für die Herbeiführung einer wesentlichen Verringerung in der Relaxationszeit der benachbarten Kerne wirksam ist, wodurch eine Kontraststeigerung in der sich ergebenden Abbildung bewirkt wird. Der magnetische Stoff wird 0 zweckma'ßigerweise mit der eine Bindungsaffinität gegenüber dem zu untersuchenden Gewebe aufweisenden Substanz durch Beschichten des magnetischen Stoffes mit einem biologisch verträglichen Polymer mit reaktionsfähigen funktioneilen Gruppen und durch Ausbildung chemischer Bindun-

gen zwischen den funktioneilen Gruppen und der Substanz, die gegenüber dem zu untersuchenden Gewebe Bindungsaffinität aufweist, verbunden.

Das bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung als Kontrastverbesserungsmittel verwendete magnetische Mikroteilchen erfüllt sämtliche oben beschriebenen Kriterien. Das Kontrastmittel wird aus handelsüblichen und relativ billigen magnetischen Stoffen hergestellt, die leicht mit verschiedenen gewebespezifischen Bindesubstanzen nach dem Fachmann allgemein bekannten Verfahren verbunden werden können. Polymerbeschichtete magnetische Teilchen sind überaus beständig und können für die Verabreichung leicht fertiggestellt werden, indem man sie mit der gegenüber dem zu untersuchenden Gewebe Bindungsaffinität

aufweisenden Substanz verbindet. Nach der magnetischen Polarisierung der Mikroteilchen verursacht ihr Magnetisierungsgrad in dem an das zu untersuchende Gewebe angelegten konstanten Magnetfeld eine erhebliche lokale Störung, deren Elemente vom ausgewählten magnetischen Stoff und seiner Teilchengröße abhängen. Dieser hohe Grad der Magnetisierung übt einen überaus starken Einfluß auf die Kernrelaxationszeit aus. Die magnetische Wirkung dieses Kontrastmittels verursacht eine magnetische Phasenstörung in den Kernen in einer Entfernung vom Kontrastmittel bis zu ca. 20 um oder darüber, was den Einsatz äußerst geringer Mengen des. zu verwendenden Mittels ermöglicht, etwa in der Größenordnung von 1 bis 10 magnetischen Miktroteilchen pro Zelle, wodurch ein NMR-Kontrastmittel von außerordentlich hoher Empfindlichkeit bereitgestellt wird, was den Nachweis der Verteilung und des Transfers von Neurotransmittersubstanzen und low level-Hormonrezeptoren ermöglicht. Die Verwendung von biolocisch verträglichen Beschichturiyen auf den magnetischen Teilchen iüäch-t sie frei von toxischen oder anderen unerwünschten Nebenwirkungen. Aufgrund der Verbindung des erfindungsgemäßen Kontrastmittels mit einer gegenüber dem zu untersuchenden Gewebe Bindungsaffinität aufweisenden Substanz ermöglicht das Kontrastmittel außerdem eine selektive Gewebeuntersuchung. Was die Inaktivierung des Kontrastmittels betrifft, so wird angenommen, daß es mit der Zeit von Makrophagen aufgenommen und im Körper gespeichert wird.

Das erfindungsgemäße Kontrastmittel kann aufgrund der Verwendung von magnetischen Mikroteilchen, die einen magnetischen Stoff aufweisen, der mit dem Antikörper verbunden ist, der sich seinerseits spezifisch mit dem mit dem Tumor assoziierten Antigen verbindet, vorteilhaft zur Tumorabbildung verwendet werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Mikroteilchen können verschiedene magnetische Stoffe verwendet werden. Der Ausdruck "magnetische Stoffe" bedeutet hier ferromagnetische Stoffe und umfaßt Stoffe mit hoher magnetischer Suszeptibilität, so daß ihre inneren Magnetfelder in der Größenordnung von ca. 1000 Gauß liegen. Erfindungsgemäß verwendbare ferromagnetische Stoffe sind gekennzeichnet durch Weiß'sehe Bezirke, die durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet werden, wodurch man ein hohes inneres Magnetfeld erhält. Geeignete magnetische Stoffe umfassen Eisen, Kobalt, Nickel und Mangan. Verbindungen oder Legierungen dieser Elemente, die Ferromagnetismus zeigen, wie z.B. Magnetit (Fe-.O.) oder Mn-Cu-Legierungen können ebenfalls verwendet werden.

Die Größe der magnetischen Mikroteilchen hängt von dem zu untersuchenden Organsystem ab. Im allgemeinen liegt die Durchschnittsteilchengröße über einigen Hundert 8, jedoch unter ungefähr einem um.

Die Gewebebindungsaffinität aufweisende Substanz, die für die Verbindung mit den magnetischen Mikroteilchen ausgewählt wird, hängt vom speziellen Gewebe ab, dessen Abbildung erwünscht ist. Beispiele für derartige Substanzen sind Antikörper, vorzugsweise monoklonale Antikörper, Neurotransmitter, Hormone, Metabolite, Enzyme, Toxine und natürliche oder synthetische Arzneimittel. Gegebenenfalls können auch Analoga dieser Substanzen verwendet werden. Unter dem Ausdruck "Analoga" sind hier synthetische Stoffe zu verstehen, die eine physiologische Reaktion hervorrufen, die mit der vergleichbar ist, welche die natürliche Substanz auslöst.

Wie oben ausgeführt, kann die Gewebebindungsaffinität aufweisende Substanz nach bekannten Verfahren mit den magnetischen Mikroteilchen verbunden werden. Dies kann

bequemerweise meist dadurch erfolgen, daß man die magnetischen Mikroteilchen mit einer Polymerbeschichtung mit reaktionsfähigen funktioneilen Gruppen versieht und die gewebespezifische Substanz mit der Polymerbeschichtung durch chemische Bindung an die funktioneilen Gruppen des Polymers bindet. Eine Polymerbeschichtung kann auf den magnetischen Stoff durch Redoxpolymerisation aufgebracht werden, wobei ein Metalloxid, z.B. Magnetit, als Quelle für das Reduktionsmittel im Redoxaktivierungssystem dient. Ein derartiges Ver- fahren wird in der US-PS 4 157 323 beschrieben, auf die hier zur Gänze bezug genommen wird. Polymerbeschichtungen können außerdem auf magnetische Substrate gemäß dem in der US-PS 4 070 246 beschrieben Verfahren aufgebracht werden. Polymerbeschichtete magnetische Mikroteilchen sind im Handel von einer Reihe von Quellen erhältlich.

Für die vorliegende Erfindung werden biologisch verträgliche Polymere bevorzugt. Der Ausdruck "biologisch verträgliches Polymer" bedeutet ein Polymer, das keine nennenswerte toxische oder andere unerwünschte Wirkung auf das Testobjekt, auf das die magnetischen Mikroteilchen angewandt werden, ausübt. Biologisch verträgliche Polymere können synthetischer oder natürlicher Herkunft sein, wobei repräsentative Beispiele für derartige Polymere Albumin und Polystyrol sind. Zusätzlich zur Erleichterung der Verbindung mit der gewebespezifischen Substanz dient die biologisch verträgliche Polymerbeschichtung auch zur Verhinderung nachteiliger physiologischer Wirkungen des magnetischen Stoffes sowie der Qualitätsminderung des magnetischen Stoffes durch Chemikalien in dem die magnetischen Mikroteilchen umgebenden Medium.

Die gewebespezifische Substanz kann mit dem polymerbeschichteten magnetischen Stoff durch dem Fachmann vertraute Verfahren, wie kovalente Bindung, wie oben angegeben,oder durch Ionen- oder Wasserstoffbindung verbunden

werden. Für diesen Zweck geeignete Verfahren werden in der erwähnten US-PS 4 157 323 beschrieben.

Die Verabreichung der magnetischen Mikroteilchen erfolgt vorzugsweise durch intravenöse Injektion, obwohl gegebenenfalls zur Einführung des Kontrastmittels in den durch NMR-Abbildung zu untersuchenden Bereich auch andere geeignete Techniken verwendet werden können.

Die Dosierung, bei der die magnetischen Mikroteilchen verabreicht werden, hängt vom Untersuchungsobjekt und von der Art des für die Abbildung bestimmten Gewebes ab. Obwohl davon auszugehen ist, daß die vorliegende Erfindung letztlich zur NMR-Abbildung von menschlichem Gewebe verwendet werden wird, ist dies bisher noch nicht unternommen worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders geeignet für die NMR-Abbildung von Organsystemen von niederen Tieren zur Differenzierung von normalem und pathologischem Gewebe, Kennzeichnung von pathologischem Gewebe sowie zur Kennzeichnung von physiologischen oder pathologischen Phänomenen usw.

Die zur Erzielung der NMR-Abbildung entsprechend der vorliegenden Erfindung erforderliche Impulskette sollte hohe Empfindlichkeit gegenüber den Spin-Spin-Relaxationsparametern aufweisen.

Obwohl das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende wissenschaftliche Prinzip noch nicht vollständig erforscht und geklärt ist, kann doch angenommen werden, daß die magnetischen Mikroteilchen als kleine magnetische Dipole fungieren, die ein Magnetfeld erzeugen, das eine Störung in den Kernen der die magnetischen Mikroteilchen in dem zu untersuchenden Gewebe umgebenden Wassermoleküle verursacht. Das Magnetfeld wird durch die dritte Kraft der Distanz von den magnetischen Mikroteilchen zerstreut. Sobald die Was-

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sermoleküle durch das durch die Anwesenheit von magnetischen Mikroteilchen verursachte unterschiedliche Magnetfeld diffundieren, wird ihre magnetische Phase stark gestört, was eine erhebliche Verminderung in der scheinbaren Spin-Spin-Relaxationszeit hervorruft und damit den Kontrast in der erhaltenen NMR-Abbildung verbessert.

Die Verfahren zur Erzielung einer NMR-Abbildung von Körpergewebe sind dem Fachmann allgemein bekannt. Grundsätzliche Überlegungen zur NMR-Abbildung werden von Kaufman et al. in Nuclear Magnetic Resonance Imaging In Medicine, New York, Igaku-Shoin, 1981 beschrieben. Apparaturen für die NMR-Abbildung liefert eine Reihe von Firmen.

Die vorliegende Erfindung kann speziell zur Abbildung von Tumoren verwendet werden. Vor der Durchführung dieser speziellen Anwendungsweise wird jedoch der primäre Tumor entfernt, wonach das Tumorantigen zur Erzeugung von für das mit dem Tumor zusammenhängende Antigen spezifischen monoklonalen Antikörpern verwendet wird. Danach werden die polymerbeschichteten magnetischen Mikroteilchen mit dem monoklonalen Antikörper derivatisiert.Die so derivatisierten magnetischen Mikroteilchen werden dann auf das Testobjekt aufgebracht, wonach man nach einer für die Bindung der magnetischen Mikroteilchen an das mit dem Tumor verbundene Antigen ausreichenden Zeit die NMR-Abbildung erhält. Die vorliegende Erfindung kann auch zur Erzielung von Bildern der Verteilung und des Transfers von spezifischen Neurotransmittern irr, Nervengewebe verwendet werden, indem man einen Neurotransmitter oder ein Neurotransmitteranalogon mit den magnetischen Mikroteilchen verbindet, die dann auf das Testobjekt aufgebracht werden, wodurch man ein NMR-BiId des Nervengewebes erhält. Eine andere Anwendungsform der vorliegenden Erfindung ist die Abbildung der Wechselwirkung zwischen Hormonen und hormonbindenden Geweben. Bei dieser Anwendungsform stellen die magnetischen Mikroteil-

chen einen magnetischen Stoff dar, der mit einem Hormon oder einem Hormonanalogon verbunden ist, das eine spezifische Bindung mit den mit dem hormonbindenden Gewebe verbundenen Rezeptoren eingeht. Das bei diesen und anderen Formen der Verwendung der vorliegenden Erfindung erzielte Bild sollte wertvolle Informationen für die Diagnose vieler Krankheiten liefern.

Obwohl hier bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Ohne Abweichung von Wesen und Umfang der Erfindung, wie sie in den vorstehenden Ansprüchen dargelegt sind, sind zahlreiche Abänderungen möglich.

Claims (7)

— XX — Patentansprüche

1. Bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Abbildung von tierischem Gewebe durch magnetische Kernresonanzabbildung umfaßt die Verbesserung das Binden eines magnetischen Mikroteilchens an das Gewebe, dessen Abbildung gewünscht ist, wobei das magnetische Mikroteilchen ein magnetisches Material aufweist, das mit einer Substanz gekoppelt ist, welches eine Bindeaffinität für das Gewebe hat, in einer Menge, die für die Herbeiführung einer wesentlichen Verringerung in der Relaxationszeit der benachbarten Kerne wirksam ist, wodurch eine Kontraststeigerung in der sich ergebenden Abbildung bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der magnetische Stoff mit der eine Bindungsaffinität gegenüber dem Gewebe aufweisenden Substanz durch Beschichten des magnetischen Stoffes mit einem biologisch verträglichen Polymer mit reaktionsfähigen funktionellen Gruppen verbunden wird,, wobei diese mit der Substanz unter Bildung chemischer Bindungen reagieren gelassen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gewebe Tumorgewebe ist und das magnetische Mikroteilchen einen magnetischen Stoff aufweist, der mit dem Antikörper verbunden ist, der sich spezifisch mit dem dem Tumor zugeordneten Antigen verbindet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Antikörper ein monoklonaler Antikörper ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gewebe Nervengewebe ist und das magnetische Mikroteilchen einen magnetischen Stoff aufweist, der mit einem Neurotransmit-

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ter oder einem Neurotransmitteranalogon verbunden ist, der bzw. das sich spezifisch mit den dem Nervengewebe zugeordneten Rezeptoren verbindet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gewebe ein hormonbindendes Gewebe ist und das Mikroteilchen einen magnetischen Stoff aufweist, der mit einem Hormon oder Hormonanalogon verbunden ist, der bzw. das sich spezifisch mit den dem Gewebe zugeordneten Rezeptoren verbindet.

Geänderte Patentansprüche

1. Bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Abbildung von tierischem Gewebe durch magnetische Kernresonanzabbildung umfaßt die Verbesserung das Binden eines magnetischen Mikroteilchens an das Gewebe, dessen Abbildung gewünscht ist, wobei das magnetische Mikroteilchen ein ferromagnetisches Material aufweist, das mit einer Substanz gekoppelt ist, welches eine Bindeaffinität für das Gewebe hat, in einer Menge, die für die Herbeiführung einer wesentlichen Verringerung in der Relaxationszeit der benachbarten Kerne wirksam ist, wodurch eine Kontraststeigerung in der sich ergebenden Abbildung bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der ferromagnetische Stoff mit der eine Bindungsaffinität gegenüber dem Gewebe aufweisenden Substanz durch Beschichten des magnetischen Stoffes mit einem biologisch verträglichen Polymer mit reaktionsfähigen funktionellen Gruppen verbunden wird, wobei diese mit der Substanz unter Bildung chemischer Bindungen reagieren gelassen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gewebe Tumorgewebe ist und das magnetische Mikroteilchen einen ferromagnetischen Stoff aufweist, der mit dem Antikörper verbunden ist, der sich spezifisch mit dem dem Tumor zugeordneten Antigen verbindet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Antikörper ein monoklonaler Antikörper ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gewebe Nervengewebe ist und das magnetische Mikroteilchen einen ferromagnetischen Stoff aufweist, der mit einem Neurotransmit-

ter oder einem Neurotransmitteranalogon verbunden ist, der bzw. das sich spezifisch mit den dem Nervengewebe zugeordneten Rezeptoren verbindet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gewebe ein
hormonbindendes Gewebe ist und das Mikroteilchen einen ferromagnetischen Stoff aufweist, der mit einem Hormon oder
Hormonanalogon verbunden ist, der bzw. das sich spezifisch mit den dem Gewebe zugeordneten Rezeptoren verbindet.

7. Verfahren zur Erzielung einer Kontrastverbesserung bei einer Abbildung eines tierischen Gewebes, die durch magnetische Kernresonanzabbildung erzeugt wird, bei welchem man in den Bereich des Gewebes, dessen Abbildung erwünscht ist, magnetische, einen ferromagnetischen Stoff aufweisende

Mikroteilchen einführt, wobei die Menge dieser magnetischen Mikroteilchen wirksam ist, um eine erhebliche Verminderung der Relaxationszeit der benachbarten Kerne hervorzurufen, und mit Hilfe der magnetischen Kernresonanzabbildung ein
Bild des Gewebes erzeugt wird. <