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Hyperpolarisierte MRTs für bahnbrechende neue Bildgebungsverfahren in der Medizin

Obwohl MRT (Magnetresonanztomografie) ein leistungsstarkes medizinisches Bildgebungsverfahren ist, sind ihm noch immer Grenzen gesetzt. Ein EU-finanziertes Projekt macht sich die Quanteneigenschaften von Diamanten zunutze, um die Grenzen der Technologie zu erweitern und sie auch kostengünstiger zu machen.

Gesundheit

Mit den Fortschritten in der medizinischen Bildgebung können physiologische Prozesse für Wissenschaft und Medizin immer besser und genauer sichtbar gemacht werden. Nicht-invasive molekulare Bildgebungsverfahren wie die Magnetresonanztomografie (MRT) kommen in der Tumortherapie, der medizinischen und biowissenschaftlichen Forschung wie auch der Wirkstoffforschung immer breiter zur Anwendung. „Viele Atome im Körper haben eine spezifische Signatur bzw. magnetisches Moment, d. h. sie erzeugen wie ein kleiner Stabmagnet ein Magnetfeld, das mittels MRT detektiert wird. Obwohl die Stärke dieser magnetischen Momente unveränderbar ist, können alle Momente parallel angeordnet werden, sodass sich ihre Felder summieren“, erklärt Martin Plenio, Direktor des Instituts für Theoretische Physik und Zentrums für Quantenbiologie an der Universität Ulm. Diese so genannte molekulare Hyperpolarisation kann mit MRT-Bildgebungsverfahren kombiniert werden, um die Leistung zu steigern. Allerdings sind derzeitige Verfahren zur Erzeugung von Hyperpolarisation noch teuer und nur begrenzt anwendbar. Für die Weiterentwicklung der hyperpolarisierten MRT-Technologie macht sich das EU-finanzierte Projekt HYPERDIAMOND mittels kurzer Laserpulse die Quanteneigenschaften der Farbzentren in Diamanten zunutze. HYPERDIAMOND entwickelte zwei neue Plattformen für die Hyperpolarisation, um die Effizienz zu steigern, Kosten zu senken und das Anwendungsspektrum für die hyperpolarisierte Bildgebung deutlich zu erweitern. Genau wie MRT-Systeme besitzen hyperpolarisierte Bildgebungssysteme eine hohe räumliche Auflösung ohne schädliche Strahlung und kommen bereits in größeren Krankenhäusern und Universitäten weltweit zum Einsatz. Zudem ist das Bildgebungsverfahren extrem schnell, da die Scans nur wenige Minuten dauern. „Die hyperpolarisierte MRT-Bildgebung etabliert sich zunehmend als führend in der molekularen Bildgebung, insbesondere zur Darstellung von Stoffwechselprozessen, und lieferte bereits faszinierende Erkenntnisse zur Charakterisierung und Reaktion maligner Tumoren“, so Plenio.

Innovative Plattformen

HYPERDIAMOND entwickelte den Diamond Hyperpolarizer als kosten- und zeitsparendes hyperpolarisiertes Bildgebungsverfahren. Statt der teuren supraleitenden Magnete, die in hochtechnischen Systemen in der Regel zum Einsatz kommen, wird inzwischen die kostengünstigere Kombination aus Lasern und Mikrowellen verwendet. Das System erzeugt Hyperpolarisation in nur fünf Minuten bei Raumtemperatur, verglichen mit 60-90 Minuten und einer Temperatur von 1 Kelvin, wie es bei herkömmlichen Systemen der Fall ist. Der Diamond Hyperpolarizer ermöglicht die Hyperpolarisation von Metaboliten (zellulären Stoffwechselprodukten) und ebnet so den Weg für patientenspezifische Stoffwechselprofile, was die Diagnose und Behandlung verschiedenster Krankheiten deutlich verbessern dürfte. Die zweite Entwicklung ist die Nanodiamond Probe: die erste MRT-Sonde, die in MRT-Systemen eine ähnliche molekulare Sensitivität erreicht wie Positronenemissionstomografie (PET) -Scans. Aufgrund der hochdichten Kohlenstoffisotope in Diamanten erzeugt die Sonde eine stärkere Magnetresonanz und verbessert damit die Darstellungsgenauigkeit. Eine Kombination aus beiden Systemen könnte MRT-Signale künftig um das 1010-fache steigern.

Erweiterte Anwendungen

„Die neue hyperpolarisierte MRT-Bildgebung ist nicht nur schneller und genauer, sondern ermöglicht erstmals MRT-Scans von Stoffwechselprozessen: die räumlich und zeitlich aufgelöste MRT-Darstellung metabolischer Prozesse in lebendem Gewebe“, fügt Plenio hinzu. So eröffnen sich künftig völlig neue Möglichkeiten, das Tumorstadium und die Wirksamkeit von Chemotherapien in Tages- statt in Monats- oder Jahresabständen zu beurteilen. Der Projektpartner NVision Imaging Technologies will die Technologie nun für den stationären Betrieb in Krankenhäusern weiterentwickeln.

Schlüsselbegriffe

HYPERDIAMOND, MRT, Bildgebung, Diamant, Kohlenstoffisotope, medizinisch, hyperpolarisiert

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