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

1,5 Tesla Kernspin-Tomograph Bild: Siemens

Moderne Medizingeräte wie die Kernspin-Tomographen könnten dank Para-Wasserstoff ohne teure Magnete auskommen. Damit wären sie sogar reif für einen mobilen Einsatz.

          4 Min.

          Die Kernspin- oder Magnetresonanz-Tomographie (MRT) ist als bildgebendes Verfahren aus der medizinischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken. Sie liefert ähnlich aussagekräftige Bilder wie die Röntgen-Computertomographie (CT), hat aber den entscheidenden Vorteil, dass sie ohne ionisierende Strahlung auskommt. Um aussagekräftige Bilder zu erhalten, benötigt man normalerweise jedoch einen möglichst starken und teuren Magneten. Dass man aber auch schon mit vergleichsweise schwachen Magnetfeldern, die schon von kleinen Spulen erzeugt werden können, detailreiche Aufnahmen hoher Auflösung erhalten kann, haben deutsche und britische Wissenschaftler in Laborexperimenten demonstriert. Damit könnten neue Anwendungen erschlossen oder kompakte und tragbare Geräte für die schnelle mobile Diagnostik gebaut werden.

          Magnet-Echos aus dem Körper

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der Magnetresonanz-Tomograph registriert die magnetischen Signale  aus dem Inneren des Körpers, die von Wasserstoffkernen erzeugt werden.  Wasserstoff ist nicht nur das häufigste Element im Körper des Menschen, sondern es hat auch den für die Magnetresonanz-Untersuchung am besten geeigneten Kern - ein einzelnes Proton. Infolge des ihm eigenen Drehimpulses, des sogenannten Kern-Spins, verhält sich das Proton ähnlich wie ein kleiner Stabmagnet . Legt man ein starkes äußeres Magnetfeld an, nehmen Protonen, die man sich auch als magnetische Kreisel vorstellen kann, bevorzugt eine  Richtung ein - Physiker sprechen von einer Polarisierung oder Magnetisierung der Kernspins. Dadurch wird das untersuchte Gewebe gewissermaßen selbst magnetisch .

          Schema Hyperpolarisierung von Pyridin
          Schema Hyperpolarisierung von Pyridin : Bild: Jan-Bernd Hövener,

          Zusätzliche Radiofrequenzwellen  treibt die Kernspins oder Kreisel zu einer Präzessionsbewegung an. Stimmt die Frequenz des Feldes mit der Rotationsfrequenz der Kerne überein,  werden die Kernspins ausgelenkt, senden selbst, je nach Struktur und Wassergehalt des Gewebes, unterschiedlich starke  Signale aus, anhand derer ein Schnittbild des Körpers berechnet werden kann. Anschließend kehren die Wasserstoffatome wieder in ihre  Ausgangslage zurück. Mit der gängigen Technik lässt sich allerdings  nur ein kleiner Anteil der Kernspins ausrichten und somit messen. Im Schnitt nur zehn von einer Millionen Kerne bei einem Magnetfeld  von drei Tesla,  wie es klinische Geräte erzeugen. Der Rest ist für den Tomographen  „unsichtbar“. Mit  stärkeren Magnetfeldern von neun Tesla, wie es die leistungsfähigsten Tomographen  aufweisen, lässt sich die Polarisierung der Kernspins und damit die Signalstärke verdreifachen, allerdings bleibt die gesamte Ausbeute, 30 von  einer Millionen Wasserstoffkerne, doch vergleichsweise  gering.

          Der Trick mit der Hyperpolarisation

          Um das Magnetresonanz-Signal merklich zu erhöhen, verwendet man häufig hyperpolarisierte Atomkerne – also Kerne, deren Ausrichtung im Magnetfeld künstlich um ein Vielfaches verstärkt wurde. Derartige Atomkerne erhält man beispielsweise dadurch, dass man den Drehsinn von zirkular polarisiertem Licht auf die Kerne überträgt. Die Kernspins werden gewissermaßen in eine kollektive Ordnung gezwungen. Das Verfahren hat sich bei Helium oder Xenon bewährt. Dank des inhalierten hyperpolarisiertem Edelgases lassen sich Atemwege und Lunge mit einem Kernspintomographen abbilden.

          „Alle bisherigen Versuche in diese Richtung haben mit der Schwierigkeit zu kämpfen, dass jeder Atomkern nur einmal hyperpolarisiert wird“, sagt Jan-Bernd Hövener von der Radiologischen Klinik Medizin-Physik  in Freiburg und dem Deutschen Konsortium für Translationale Krebsforschung. Zudem zerfällt die künstliche Ausrichtung der Kernspins innerhalb weniger Sekunden bis Minuten, und jede Kernspin-Aufnahme selbst zerstört sofort wieder die Ausrichtung der Wasserstoffkerne. Für die normale Hyperpolarisierung werden also besondere, schnelle Bildgebungsmethoden benötigt. Mehrfachaufnahmen, ein gängiges Konzept, um die Bildqualität zu verbessern, sind so nicht möglich.

          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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