Scharfe Bilder mit dem Erdmagnetfeld

Quelle: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 08.01.2014, Nr. 6, S. N1
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Moderne Medizingeräte wie die Kernspin-Tomographen könnten dank Para-Wasserstoff ohne teure Magnete auskommen. Damit wären sie sogar reif für einen mobilen Einsatz.

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.

Bei der Magnetresonanz oder Kernspinresonanz (NMR) - letztere wird vor allem von Chemikern verwendet - nutzt man die Wechselwirkung eines homogenen Magnetfeldes mit den Spins von Wasserstoffkernen. Die Protonen, die sich aufgrund ihres "Dralls" wie kleine Stabmagnete verhalten, nehmen bevorzugt eine Richtung ein - Physiker sprechen von einer Polarisierung oder Magnetisierung der Kernspins. Zusätzlich eingestrahlte Radiowellen stören die Ausrichtung der Kernspins. Dabei entstehen magnetische Echos, die von einer Spule empfangen werden. Anhand dieser Signale lassen sich Schnittbilder von der Probe konstruieren. Anschließend kehren die Kernspins 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 Million - 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 gering.

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 Abteilung für Medizinphysik der Radiologischen Klinik 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.

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 Parawasserstoff. Die beiden Kerne dieses zweiatomigen Wasserstoffmoleküls befinden sich in einem sogenannten verschränkten Quantenzustand. Ihre Spins zeigen praktisch in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch hat Parawasserstoff 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. So entsteht ein Polarisierungseffekt, der sich nach jeder Messung von selbst erneuert und sich - solange Parawasserstoff 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.

Aufgrund der Hyperpolarisierung mit Parawasserstoff 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). "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: Parawasserstoff 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.

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.

Autor: Manfred Lindinger