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Fortschritt bei der MRT : Scharfe Schnitt-Bilder mit dem Erdmagnetfeld

Wundermittel Para-Wasserstoff

Hövener und seine Kollegen von der Universität Freiburg dem Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg wählten einen anderen Ansatz, den britische Forscher um Simon Duckett vom Centre for Hyperpolarisation in York vor vier Jahren erstmals präsentierten: die Hyperpolarisation von Atomkernen mit Para-Wasserstoff (Science-Artikel) Die beiden Kerne dieses zweiatomigen Wasserstoffmoleküls befinden sich in einem sogenannten verschränkten Quantenzustand. Ihre Spins zeigen praktisch in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch hat Para-Wasserstoff selbst zwar „netto“ kein magnetisches Moment, er kann aber über eine spezielle Austauschreaktion andere unpolarisierte Moleküle magnetisieren, und das – in einem entsprechenden Magnetfeld – immer wieder.

Hyperolarisation, experimenteller Aufbau zur
Hyperolarisation, experimenteller Aufbau zur : Bild: Jan-Bernd Hövener

So entsteht ein Polarisierungseffekt, der sich nach jeder Messung von selbst erneuert und sich – solange Para-Wasserstoff zur Verfügung steht – beliebig lange aufrechterhalten lässt. „Damit sind mehrfache Kernspin-Aufnahmen an ein und derselben hyperpolarisierte Probe möglich“, sagt Hövener, der mit seinen Kollegen die Leistungsfähigkeit des Ansatzes an kleinen organischen Molekülen wie Pyridin in vitro getestet hat.

Starkes Signal bei schwachem Feld

Aufgrund der Hyperpolarisierung mit Para-Wasserstoff wurde die Ausrichtung der Spins der Wasserstoffkerne des Pyridins parallel zu den Feldlinien des angelegten Magnetfelds stark erhöht. Das Magnetfeld selbst war vergleichsweise schwach und betrug nur fünf Millitesla, was der hundertfachen Stärke des Erdmagnetfelds entspricht („Nature Communications“, doi: 10.1038/ncomms3946, vollständiger Artikel). „Das gemessene Resonanz-Signal von Pyridin ist sogar in einem schwachen Magnetfeld, wie es von einer einfachen Batterie erzeugt werden kann, einhundert Mal so stark wie in heutigen MRT-Anlagen“, sagt Hövener. Ein weiterer Vorteil: Para-Wasserstoff lässt sich leicht gewinnen. Man benötigt eine Wasserstoffflasche, einen geeigneten einfachen Katalysator und einen Tieftemperatur-Kühlschrank.

Das Verfahren lässt sich im Prinzip auf alle polarisierbaren Biomoleküle anwenden: also auf Purine, Aminosäuren, Peptide, auf den Energieträger ATP und einer Reihe von Wirkstoffen. Dabei könnten nicht nur die Spins der Wasserstoffkerne in diesen Substanzen polarisiert werden, sondern auch die Kernspins bestimmter Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phosphor- und Fluorisotope, was die Potential dieses Verfahrens in der Chemie und der Molekularbiologie erweitert.

Wo soll die Forschungsreise hingehen?

Den bisherigen Laborexperimenten sollen nun Tests in Zellkulturen folgen. Dass die Methode prinzipiell auch in Blut funktioniert, konnte ex vivo bereits gezeigt werden. Auf lange Sicht hoffen Hövener und seine Kollegen, dass die kontinuierliche Hyperpolarisation für die biomedizinische Forschung nutzbar wird: „Wasserstoffgas scheint für Menschen gut verträglich zu sein. Von seiner Verwendung könnte die medizinische Forschung oder Diagnostik entscheidend profitieren, auch wenn der Weg noch weit ist“, so Hövener.

Auf lange Sicht sei denkbar, dass diese Methode für den empfindlichen Nachweis spezieller Krnakheiten genutzt werden könnte – kostengünstiger und mit kompakteren Geräten, als es bisher möglich ist.

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