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Klinik für Radiologie - Medizinphysik

Metabolische und Molekulare MRT

Hyperpolarisierung

Viele Krankheiten gehen mit Veränderungen im Stoffwechsel einher und könnten darüber früh erkannt und besser verstanden werden, etwa um bessere Therapien bei Tumoren, Ischämien oder neurodegenerativen Erkrankungen zu entwickeln. Mechanistische Informationen des Säugetierstoffwechsels in vivo und dynamische Stoffwechseländerungen sind jedoch mit typischen Analyseverfahren schwer zugänglich, da entweder die räumliche, chemische oder zeitliche Auflösung unzureichend ist.

Diesem Problem kann mit Verstärkung des Signals der Magnetresonanz- (MR) Tomographie (MRT) entgegnet werden: Durch Hyperpolarisierung (HP) werden Kernspins eines Moleküls stärker im Magnetfeld ausgerichtet und können dadurch viele Größenordnungen sensitiver gemessen werden. Werden etwa stoffwechselaktive Moleküle hyperpolarisiert und als „Tracer“ injiziert, lassen sich diese Stoffe und Folgeprodukte in vivo in Echtzeit, nicht-invasiv und strahlenfrei beobachten. Tumoren konnten dadurch erkannt, eingestuft und Therapieerfolge gemessen werden. Erste Human-Studien werden bereits durchgeführt und zeigen sehr vielversprechende Ergebnisse. Neben der Beobachtung des Stoffwechsels sind auch Messung des pH-Wertes oder funktionelle Bildgebung vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten.

Das Ziel unserer Gruppe ist es die Hyperpolarisierung zu vereinfachen, kostengünstiger zu machen und für neue Anwendungsfelder zu erschließen. Wir verfolgen dieses Ziel durch die Entwicklung neuer Bildgebungs-Sequenzen, Geräte und Methoden für die Hyperpolarisierung von Kernspins, die es uns erlauben, wichtige (bio-) medizinische Fragestellungen zu beantworten. Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit ist es, kostengünstige und flexible Techniken für die Hyperpolarisierung zu erforschen, damit diese einfacher in Forschung und schlussendlich der Human-Diagnostik eingesetzt werden können.

 

Mehr zum Hintergrund:

Es ist bekannt, dass die MRT, wie wir sie heute kennen, nur einen winzigen Bruchteil ihres Potentials nutzt. Dies liegt an der sehr geringen "thermischen Polarisierung". Diese "thermische Polarisierung" ist ein anderer Ausdruck für die Ausrichtung der Kernpins, die man sich als kleine Magnete oder Kompassnadeln vorstellen kann, welche sich in den Atomkernen finden. Im Gegensatz zu einem Handkompass, wie man ihn zum Wandern nutzt, sind diese atomaren Kompassnadeln sehr, sehr schwach.

Hätte jeder Mensch auf der Erde einen Wanderkompass, zeigten alle Kompassnadeln nach Norden - das MRT Signal wäre das von sieben Milliarden Kompassnadeln.
Die natürlichen Kompassnadeln in den Atomkernen (die Kernspins) hingegen sind so schwach, dass diese in alle möglichen Richtungen zeigen. Nur im Durchschnitt zeigt einer von sieben Milliarden nach Norden und trägt zum Signal bei - das MRT Signal ist dementsprechend schwach und beträgt nur ein sieben Milliardstel.

Hier setzt die Hyperpolarisierung an. Mit verschiedenen physikalischen und chemischen "Tricks" werden die Kompassnadeln der Atom dazu gebracht, sich auszurichten. Somit lässt sich das MRT Signal um mehrere Größenordnungen, zum Beispiel 10.000-fach verstärken. Neue Anwendungen, für welche die "thermische Polarisierung" einfach zu gering ist, rücken in den Bereich des Möglichen. Beispielsweise wird damit an der Früherkennung und Therapiekontrolle ("funktioniert diese Chemotherapie oder nicht?") von Krebs mittels Hyperpolarisierung international geforscht.  

Als interdisziplinäres Forschungsfeld spannt die Hyperpolarisierung den Bogen von Spinphysik, über die Chemie, bis hin zur Biologie und Medizin. Das ist auf der einen Seite spannend, auf der anderen Seite eine große Herausforderung. Gleichzeitig können wir damit unser Wissen aus Quantenmechanik, Statistischer Physik und Organischer Chemie dazu einsetzen, Menschen künftig bessere Untersuchungs- und Behandlungsoptionen bereitzustellen.

Ansprechpartner

Andreas B. Schmidt
Head of Hyperpolarization
Killianstr. 5a
D-79106 Freiburg
phone:  +49 (0) 761 270-93911
email: andreas.schmidt@uniklinik-freiburg.de