Mit dem MRT den Stoffwechsel in Echtzeit beobachten
Mit Magnetresonanztomografie (MRT) können Ärzte fast jede Struktur im Körper unterscheiden. Doch das gesamte Potenzial der Methode ist noch lange nicht ausgeschöpft. Schweizer Ingenieure haben nun Technologien weiterentwickelt, mit denen sich Stoffwechselvorgänge in Echtzeit beobachten lassen. Das könnte helfen, Durchblutungsstörungen des Herzens frühzeitig zu erkennen und die Wirksamkeit einer Chemotherapie zu überprüfen.
Davon konnten Ärzte bisher nur träumen: Sie geben ein Medikament und können direkt am Monitor beobachten, wie der Stoffwechsel reagiert. In verschiedenen Farben sehen sie erst das eine Abbauprodukt, wenig später das nächste, und parallel dazu verfolgen sie, in welcher Organstruktur der ganze Prozess abläuft.
Was wie Zukunftsmusik klingt, ist dank einer neuen Technologie machbar, der sogenannten dynamischen Kernpolarisierung. Mit ihr lässt sich das MRT-Signal von Kohlenstoffverbindungen kurzzeitig um Größenordnungen verstärken, wodurch organische Verbindungen in Stoffwechselprodukten sichtbar werden.
Herkömmliche MRT-Verfahren erfassen das Signal von Wasserstoffkernen
„Mit herkömmlichen MRT-Verfahren erfasst man das Signal der Wasserstoffkerne, die im Körpergewebe überall vorhanden sind“, betonte Sebastian Kozerke, Ingenieur am Institut für Biomedizinische Technik der der Universität Zürich und der ETH. „Dadurch bekommt man schließlich diese hochaufgelösten Bilder, auf denen man alle Strukturen fast wie im Anatomiebuch sehen kann.“
Die Technik beruht darauf, dass sich die Wasserstoffkerne in einem stehenden Magnetfeld von 1,5 Tesla bis mittlerweile 7 Tesla ausrichten und anschließend über Radiofrequenzfelder aus ihrer Feldrichtung abgelenkt werden. Beim Zurückschwingen geben sie ein Signal ab, das dann gemessen wird. Während jedoch Wasserstoffkerne sehr starke Signale senden und daher leicht zu detektieren sind, ist bei Kohlenstoffkernen das Gegenteil der Fall.
So mussten Kozerke und sein Team die dynamische Kernpolarisierung anwenden, um den Kohlenstoff sichtbar zu machen. Dabei haben sie zunächst mit einem starken Magneten freie Elektronen von organischen Molekülen bei 1,3 Kelvin polarisiert und anschließend die Polarisierung mit Mikrowellenpulsen auf die Kohlenstoffkerne übertragen.
Der ganze Vorgang läuft in einem eigens für diese Technik entwickelten Gerät außerhalb des Körpers ab und wurde von den Forschern zunächst an Proben mit Brenztraubensäure (Pyruvat) getestet. „Bei unseren Experimenten haben uns vor allem die körpereigenen Kohlenstoffverbindungen interessiert“, erklärte Kozerke den VDI nachrichten. „Darum haben wir Pyruvat genommen, ein Molekül, das im Stoffwechsel beim Abbau von Zucker entsteht und sehr häufig vorkommt.“
Um die gefrorenen Proben mit Pyruvat weiter im MRT untersuchen zu können, mussten die Forscher sie noch mit sehr heißem Wasser innerhalb weniger Sekunden auftauen. So behandelt, bleibt die Magnetisierung noch kurze Zeit erhalten und das Pyruvat kann wie ein Kontrastmittel verwendet werden.
Neue MRT-Methode zeigt Anreicherung von Kohlenstoffverbindungen
Die folgenden Aufnahmen im MRT-Gerät zeigen gleich mehreres: wo sich die Kohlenstoffverbindungen anreichern und die Durchblutung dementsprechend hoch ist, welche Abbauprodukte entstehen und was mit ihnen im Organismus passiert.
Einfach dem Stoffwechsel zuzuschauen war mit körpereigenen Molekülen bislang nicht möglich. Doch auch der Zeitfaktor spielt eine Rolle. Da die Kohlenstoffatome ihre Magnetisierung außerhalb der Kühlkammer schnell verlieren, muss der ganze Prozess in 2,5 min fertig sein: Probe magnetisieren, auftauen, spritzen und die MRT-Untersuchung.
Dennoch sieht Kozerke für eine Anwendung am Patienten keine Probleme: „Das Gerät zur Vorbereitung der Probe wird einfach neben dem normalen MRT-Gerät stehen, der Patient bekommt dann direkt die zu untersuchende Substanz gespritzt, das geht sehr schnell.“
Der Vorteil des neuen MRT-Verfahrens gegenüber Methoden wie etwa der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) ist eindeutig: Während beim PET nur körperfremde Isotope gemessen werden, untersucht das neue MRT-Verfahren völlig strahlungsfrei körpereigene Stoffwechselprodukte.
Anwendungsmöglichkeiten für das neue Verfahren gibt es dementsprechend viele. So könnte man Durchblutungsstörungen des Herzmuskels, die weder in den normalen Blutwerten noch im Elektrokardiogramm messbar sind, frühzeitig erkennen und auch den Ort des Geschehens finden. Denn schlecht oder gar nicht durchblutetes Gewebe hat einen anderen Stoffwechsel als ein gesunder Herzmuskel. Auch die Wirksamkeit einer Chemotherapie können Ärzte künftig schneller und patientenfreundlicher beurteilen – indem sie per MRT direkt im betroffenen Organ den Stoffwechsel untersuchen und den pH-Wert messen. Das lange Warten, ob eine Krebstherapie hilft oder nicht, könnte damit entfallen.
Weniger Tierversuche durch neues MRT-Verfahren
Nicht zuletzt lassen sich mit dem neuen Verfahren auch Tierversuche sparen. Denn viele rein theoretische Annahmen über die Wirksamkeit und den Wirkort von Stoffen, die oftmals an Hunderten von Labortieren erforscht werden, könnte man direkt und sichtbar überprüfen und quantifizieren. Das macht die Technik auch für die Pharmaindustrie interessant.
„Alle Organe, die gut durchblutet sind, und wo dementsprechend viele Stoffwechselprodukte anfallen, kann man potenziell mit unserer Methode untersuchen“, freut sich Kozerke und ergänzt: „Zu den bisherigen MRT-Verfahren mit ihren dreidimensionalen Möglichkeiten haben wir jetzt noch eine vierte, chemische Dimension hinzu gewonnen.“
Jetzt hofft der Forscher, dass die Methode in wenigen Jahren marktreif ist. Neben den Zürcher Ingenieuren arbeiten weltweit mehrere Gruppen an der neuen Technologie und deren Anwendungen. Eine amerikanische Firma entwickelt derzeit ein System, das für den Einsatz am Menschen geeignet ist.
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