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Nr. 94, 31.03.2018  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Quantenmechanik mit dem richtigen Dreh

Neue Magnetresonanz-Techniken ermöglichen es, biochemische Prozesse im Kör­per von außen zu beobachten. Diesen innovativen Ansatz will der Exzellenz­cluster Entzündungsforschung nutzen, um den Stoffwechsel von Darmbakterien zu unter­suchen.


Die Magnetresonanztomografie (MRT) beruht auf magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffatomkernen. Sie richten sich aufgrund ihres Dralls in einem Magnetfeld aus. Das Signal ist aber sehr schwach. Bei einem normalen MRT (links) wird gerade einmal das Signal von wenigen Atomen aus einer Million verwertet (violette Pfeile). Durch Hyperpolarisierung (rechts) lassen sich mehr Moleküle ausrichten. Dadurch wird das MRT empfindlicher. Grafik: Hövener/pur.pur

Die Magnetresonanztomografie (MRT) ist eine tolle Technik. Sie zaubert fantastische Bilder aus dem Inneren des Körpers auf den Bildschirm. »Wir können zum Beispiel dem schlagenden Herzen zuschau­en und beobachten, in welcher Hirnregion Sauerstoff verbraucht wird, während ich meine Hand bewege oder an Schokoladeneis denke«, erzählt Professor Jan-Bernd Hövener begeistert, um gleich ein­schrän­kend festzustellen, dass »die zeitliche, räumliche und besonders chemische Auflösung der MRT-Bilder stark begrenzt ist. Wir kratzen an der Spitze des sprichwörtlichen Eisbergs, wissen aber, das noch sehr viel mehr unter Wasser liegt, das wir für bessere Diagnosen nutzen könnten.«

Um überhaupt gute Bilder im MRT zu bekommen, werden in der Klinik Magnete mit einer Stärke von 1,5 bis 3 Tesla eingesetzt. »In unserem Forschungsinstitut steht ein 7-Tesla-Gerät. Das ist kaum vorstellbar stark – etwa 70-mal so stark wie ein Magnet, der auf dem Schrottplatz Autos hochhebt«, sagt Hövener, der seit Juni 2017 die Professur für Translationale Magnetresonanztomografie innehat und die Sektion Biomedizinische Bildgebung und das Forschungszentrum Molecular Imaging North Competence Center (MOIN CC) leitet.

Medizinphysiker Jan-Bernd Hövener. Foto: pur.pur

Solch starke Magnetfelder braucht man, um die extrem schwachen ato­maren Kompassnadeln (Kernspins), die in jedem Wassermolekül stecken, dazu zu bewegen, sich auch nur etwas nach Norden aus­zurichten. »Wir wissen, dass da ein riesiges Potenzial liegt und dass wir noch viel mehr und wichtigere Informationen aus dem MRT bekommen könnten.« Dazu bräuchte es aber Magnete von einer unvorstellbaren Stärke. Hövener verfolgt eine näherliegende Alter­native. Er versucht, die Kernspins an sich zu dressieren. Die Tricks hierfür kommen aus der Quantenmechanik.

Die Magnetresonanz beruht auf dem sogenannten Spin der Atom­kerne, welcher ein magnetisches Moment hervorruft, nicht unähnlich dem einer Kompassnadel. Da Wasserstoff in jeder unserer Zellen enthalten ist, sind diese atomaren Kompassnadeln auch überall und können für die Bildgebung genutzt werden. Sie sind jedoch so schwach, dass sich bei Raumtemperatur nur ein winziger Bruchteil entlang eines äußeren Magnetfeldes ausrichtet.

Der Anteil aller Spins, der effektiv in eine Richtung »schaut«, wird Polarisierung genannt und beträgt wenige Millionstel pro Tesla. Dass die Methode trotzdem funktioniert, liegt an der großen Zahl der Wasserstoffkerne im Körper. Hiervon »sieht« das MRT zwar nur wenige Millionstel, doch reicht dies aus, um zum Beispiel den Gelenkknorpel zu beurteilen oder die Größe von Tumoren zu vermessen.

Für die Darstellung von medizinisch sehr interessanten Stoffwechselvorgängen ist es jedoch häufig zu wenig. »Das MR-Signal enthält wertvolle chemische Informationen«, sagt Hövener. »Jedoch ist die Konzentration vieler Stoffwechselprodukte, die wirklich interessant sind, viel zu gering, um sie zu messen. Dafür reicht die Empfindlichkeit der herkömmlichen Technik kaum aus«, erklärt Hövener, der sich stark für die chemische Analyse mittels MRT interessiert und diese Technik im Exzellenzcluster Entzündungsforschung etabliert. »Im Prinzip können wir mit MRT eine virtuelle Biopsie machen – wir bekommen die chemische Information aus dem Körper, ohne eine Probe zu entnehmen oder eine Sonde einzuführen.«

Um diese Information zu bekommen, wendet der Medizinphysiker sogenannte Hyperpolarisierungs­methoden an. Das sind physikalische Tricks, die die Kompassnadeln dazu bringen, in eine Richtung zu zeigen, so dass sie im MRT besser sichtbar sind. Um bestimmte Moleküle zu untersuchen, werden diese im Labor »polarisiert«, anschließend gespritzt oder eingeatmet, um dann deren Weg im Körper zu verfolgen. Was so einfach klingt, ist quantenmechanisch und technisch höchst anspruchsvoll. Dass es grundsätzlich funktioniert, haben erste Versuche gezeigt.

Hövener sieht den Nutzen dieser im Moment noch experimentellen Methode insbesondere in der Früherkennung von Stoffwechselveränderung und der Therapiekontrolle. »Der Stoffwechsel ändert sich bei einer Therapie viel früher, als makroskopische Strukturen umgebaut werden. Wir hoffen, schon kurze Zeit nach Beginn der Therapie zu sehen, ob sie wirkt«, erklärt der Physiker, der derzeit ein Zentrum für Hyperpolarisierungsforschung aufbaut. »Dank der Kolleginnen und Kollegen vor Ort und der Unterstützung von Uni und Fakultät sind die Voraussetzungen hierfür in Kiel ideal.«

Im Cluster möchte er mit der Hyperpolarisierungs-MRT den Stoffwechsel von Darmbakterien im Detail untersuchen. Hövener: »Es wird Zeit, Entzündungen mit Magnetresonanz und Hyperpolarisierung zu ergründen und entscheidend zu deren Verständnis und Behandlung beizutragen. Das Mikrobiom hat noch niemand mit dieser Methode untersucht. Es hat ja anscheinend großen Einfluss auf die Entzündung des Darms. Wir wollen den Stoffwechsel erstmals nichtinvasiv messen, zunächst in Zellkultur, später im Tier und am Menschen. Wir erhoffen uns davon gänzlich neue Einblicke in die Funktionsweise der Bakterien und das tägliche Zusammenspiel mit ihnen.«

Kerstin Nees
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