Hyperpolarisierung: "Ein MRT-Gerät von der Größe von zwei bis drei Schuhkartons könnte man sich bald auf den Schreibtisch stellen"

Interview mit Dr. Jan-Bernd Hövener, Universitätsklinikum Freiburg

Magnetresonanztomografie (MRT) ist in der Diagnostik ein gängiges Verfahren. Mit Millionen Kernspins erzeugt es ein Signal, das wiederum in Bilder umgewandelt wird. Um die Kernspins auszurichten, verwendet man sehr große Magneten. Wissenschaftler am Universitätsklinikum Freiburg erforschen eine neue Methode, die ohne teure Magnete auskommt.

24.02.2014

Foto: Dr. Jan-Bernd Hövener

Dr. Jan-Bernd Hövener; ©privat

Dr. Jan-Bernd Hövener, Leiter der Forschungsgruppe, verrät mehr über die Hyperpolarisierung und die Möglichkeiten, die diese Methode für die Medizintechnik bereitet. MEDICA.de sprach mit ihm über Kernkompassnadeln, Parawasserstoff und schuhkartongroße MRT-Geräte.

Herr Dr. Hövener, was ist Hyperpolarisierung?

Jan-Bernd Hövener: Die Hyperpolarisierung dient dazu, den bisher ungenutzten Teil des Potenzials der Magnetresonanztomografie (MRT) zu erschließen. Das Signal, mit dem ein MRT-Bild erzeugt wird, entsteht mithilfe von Kernspins. Die Kernspins kann man sich wie kleine Kompassnadeln vorstellen, die im Atomkern sind. Der große Unterschied zu einer Kompassnadel, die wir beispielsweise aus einem Wanderkompass kennen, ist allerdings, dass die Kernspins sehr schwach sind.

Wenn man jedem Menschen auf der Erde einen Wanderkompass in die Hand geben würde, dann zeigen sieben Milliarden Kompassnadeln nach Norden. Wenn wir davon ein MRT-Bild machen würden, würden wir auch eine Signalstärke von sieben Milliarden Kompassnadeln bekommen. Die Kernkompassnadeln aus einem MRT sind jedoch viel schwächer. Wenn wir jedem der Erdbewohner so ein Kernspin in die Hand geben würden, dann würden sie fast alle in unterschiedliche Richtungen zeigen. Im Durchschnitt weist nämlich nur eine Handvoll aus den sieben Milliarden Kernspins nach Norden. Das MRT-Signal hat also eine Stärke von nur wenigen Milliardstel Kernspins, obwohl sein Potenzial viel größer ist. Deswegen werden in der Diagnostik starke Magnete benötigt, um einen größeren aber immer noch sehr kleinen Teil dieser Kernspins auszurichten.

Ein Magnet im MRT-Gerät hat eine Magnetfeldstärke von 1,5-3 Tesla. Zum Vergleich: Magneten, die auf einem Schrottplatz Autos hochheben, haben eine Stärke von ungefähr 0,1-0,2 Tesla – also bis zu 20-mal geringer. Mit einer solchen Magnetfeldstärke kann man schon wesentlich mehr von den atomaren Kompassnadeln ausrichten, allerdings immer noch nur einen sehr kleinen Teil: Ein 3 Tesla starker Tomograf richtet weniger als zehn Stück aus einer Million aus. Das Ziel von Hyperpolarisierung ist, die Zahl der Kernspins, die "nach Norden zeigen", wesentlich zu erhöhen.
Grafik: Hyperpolarisierung

Durch Hyperpolarisierung wird die Zahl der Kernspins, die in einem MRT-Gerät genutzt werden, wesentlich erhöht; © Hövener

Es gibt verschiedene Hyperpolarisierungsmethoden, die teilweise schon seit Jahrzehnten bekannt sind und erforscht werden. Was zeichnet Ihre Methode den anderen gegenüber aus?

Hövener: Die bisherigen Hyperpolarisierungsmethoden haben schon tolle Erfolge erzielt, sie haben allerdings alle ein paar Schwachstellen. Zum einen ist das hyperpolarisierte Signal transient – es besteht nur für eine bestimmte Zeit. Zum anderen lassen sich die Moleküle bei den bisherigen Methoden nur einmal polarisieren. Sie können, im Allgemeinen, nicht nochmal verwendet und ausgerichtet werden. Außerdem werden die ausgerichteten Kernspins durch die MRT-Sequenz selbst zerstört.

Wie umgehen Sie diese Herausforderungen mit der neuen Methode?

Hövener: Wir führen die Hyperpolarisierung mit Parawasserstoff und einem Katalysator durch. Das Wasserstoffgas besitzt besondere Eigenschaften, durch die wir die Ausrichtung bestimmter Moleküle immer wieder aufs Neue herstellen können – solange Parawasserstoff da ist. Die Polarisierung wird zwar immer noch durch eine MRT-Messung zerstört, allerdings stellt sie sich innerhalb weniger Sekunden wieder her. Überdies können wir mit dem Gas jedes Molekül beliebig häufig aufnehmen.

Welche Vorteile bietet Parawasserstoff noch gegenüber einem Magneten?

Hövener: Magnete, die in MRT-Geräten angewendet werden, sind sehr groß und schwer. Ein Gerät, das mit Parawasserstoff funktioniert, braucht den teuren Magneten nicht mehr, um die Magnetisierung der polarisierbaren Moleküle herzustellen. Hier reicht ein zwei Kilogramm schwerer Magnet mit einer Stärke von fünf Tausendstel Tesla aus. Räumlich kann man es sich so vorstellen, dass das MRT-Gerät ungefähr die Größe von zwei bis drei Schuhkartons hat und man es sich auf den Schreibtisch stellen kann. Wir können damit die Kernspins einiger Moleküle so ausrichten, als ob wir einen großen Magneten von der Stärke von hundert oder mehr Tesla hätten. Solche Magneten sind derzeit nicht machbar.

Man muss aber ausdrücklich dazu sagen, dass unsere Methode sich im Moment noch in der Grundlagenforschung befindet. Wir können im Augenblick schöne Bilder vom Reagenzglas machen, noch nicht von lebenden Organismen.  Sehr viele Menschen in unserer Gesellschaft gehen erst dann zum Arzt, wenn sie krank sind. Die Betriebsärzte aber haben die Möglichkeit, circa 43 Millionen Beschäftigte mit Check-up-Untersuchungen und individueller Beratung weit vor einer Erkrankung zu erreichen. Das Präventionsgesetz verankert jetzt, dass der Betriebsarzt mehr in die allgemeine Gesundheitsförderung einbezogen wird.
Foto: Dr. Hövener im Labor

Dr. Hövener und seine Kollegen führen Hyperpolarisierung mit Parawasserstoff und einem Katalysator durch. Das Gas besitzt besondere Eigenschaften, die es erlauben, einen größeren Teil des Potenzials von MRT zu erschließen; © privat

Es gibt verschiedene Hyperpolarisierungsmethoden, die teilweise schon seit Jahrzehnten bekannt sind und erforscht werden. Was zeichnet Ihre Methode den anderen gegenüber aus?

Hövener: Die bisherigen Hyperpolarisierungsmethoden haben schon tolle Erfolge erzielt, sie haben allerdings alle ein paar Schwachstellen. Zum einen ist das hyperpolarisierte Signal transient – es besteht nur für eine bestimmte Zeit. Zum anderen lassen sich die Moleküle bei den bisherigen Methoden nur einmal polarisieren. Sie können, im Allgemeinen, nicht nochmal verwendet und ausgerichtet werden. Außerdem werden die ausgerichteten Kernspins durch die MRT-Sequenz selbst zerstört.

Wie umgehen Sie diese Herausforderungen mit der neuen Methode?

Hövener: Wir führen die Hyperpolarisierung mit Parawasserstoff und einem Katalysator durch. Das Wasserstoffgas besitzt besondere Eigenschaften, durch die wir die Ausrichtung bestimmter Moleküle immer wieder aufs Neue herstellen können – solange Parawasserstoff da ist. Die Polarisierung wird zwar immer noch durch eine MRT-Messung zerstört, allerdings stellt sie sich innerhalb weniger Sekunden wieder her. Überdies können wir mit dem Gas jedes Molekül beliebig häufig aufnehmen.

Welche Vorteile bietet Parawasserstoff noch gegenüber einem Magneten?

Hövener: Magnete, die in MRT-Geräten angewendet werden, sind sehr groß und schwer. Ein Gerät, das mit Parawasserstoff funktioniert, braucht den teuren Magneten nicht mehr, um die Magnetisierung der polarisierbaren Moleküle herzustellen. Hier reicht ein zwei Kilogramm schwerer Magnet mit einer Stärke von fünf Tausendstel Tesla aus. Räumlich kann man es sich so vorstellen, dass das MRT-Gerät ungefähr die Größe von zwei bis drei Schuhkartons hat und man es sich auf den Schreibtisch stellen kann. Wir können damit die Kernspins einiger Moleküle so ausrichten, als ob wir einen großen Magneten von der Stärke von hundert oder mehr Tesla hätten. Solche Magneten sind derzeit nicht machbar.

Man muss aber ausdrücklich dazu sagen, dass unsere Methode sich im Moment noch in der Grundlagenforschung befindet. Wir können im Augenblick schöne Bilder vom Reagenzglas machen, noch nicht von lebenden Organismen. Kleine und mittelständische Unternehmen können aus Kostengründen aber nicht einfach einen Gesundheitsmanager anstellen. Hier brauchen wir Konzepte, beispielsweise eine Netzwerkbildung, mit denen kleinere Unternehmen im Verbund den Gedanken der Gesundheitsförderung so umsetzen können wie die großen Industrieunternehmen.

Mit welchen Risiken ist die Hyperpolarisierung verbunden?

Hövener: Eine gewöhnliche MRT verwendet natives Signal, also das Signal was von dem Objekt selbst und dem Magnetfeld erzeugt wird. Dadurch sehen wir bei der Aufnahme einer Hand auch die ganze Hand. Mit der Hyperpolarisierung geht das nicht: Wir polarisieren ein Kontrastmittel, welches man dann sehen kann. So eine Kontrastmittelgabe ist immer mit einem Risiko behaftet.

Für spezielle Anwendungen hat diese Methode jedoch große Vorteile. Wenn man ein Kontrastmittel für ein bestimmtes Gewebe wie beispielsweise einen Tumor hätte, wird die MRT auch nur das Tumorgewebe zeigen.

Wie könnte man das Potenzial der MRT noch nutzen?

Hövener: Wir wissen aus der Chemie und Biomedizin, dass die Magnetresonanz Stoffwechsel messen kann. Sie kann also nicht nur die bekannten Schwarz-Weiß-Bilder machen, sondern auch physiologische und metabolische Informationen geben. Stellen Sie sich vor, man müsste nicht Gewebe entnehmen um Werte zu messen, sondern könnte sie von außen berechnen. Das war auch die Hoffnung der Wissenschaftler als die MRT erfunden wurde, und die Methode, genannt Spektroskopie, funktioniert auch. Es stellte sich jedoch heraus, dass das Signal im Allgemeinen zu schwach ist, um viele diagnostisch wichtige Parameter zu messen. Die Hyperpolarisierung mag eine Methode sein, mit der sich dieses frühere Versprechen erfüllen kann. Und daran wird auf der ganzen Welt intensiv geforscht.

Für welche anderen Forschungsbereiche könnte die Hyperpolarisierung mit Parawasserstoff interessant sein?

Hövener: In der Medizin ist das Verfahren nicht nur in der Patientenanwendung denkbar, sondern auch in der präklinischen Forschung, zum Beispiel für Untersuchungen zum Verhalten bestimmter Zellen gegenüber anderen Zellen oder Substanzen. Es könnte sich im Zuge weiterer Forschung herausstellen, dass die Hyperpolarisierung sich nicht für Patientenanwendung eignet, aber ein wertvolles Werkzeug für die Grundlagenforschung sowohl in der Medizin als auch in der Physik ist. Das alleine wäre ein großer Erfolg. Interessanterweise hat mich vor einigen Tagen jemand kontaktiert, der die Hyperpolarisierung für die Bodenforschung nutzen möchte, um mit der Magnetresonanz Bodeneigenschaften zu messen. Es wären also viele verschiedene Bereiche für die Anwendung denkbar.


Lesen Sie hier die Originalarbeit von Dr. Hövener und seinen Kollegen zum Thema: Hövener J.-B., Schwaderlapp N., Lickert T., Duckett S.B., Mewis R.E., Highton L.A.R., Kenny S.M., Green G.G.R., Leibfritz D., Korvink J.G., Hennig J., von Elverfeldt D. A hyperpolarized equilibrium for magnetic resonance. Nature Communications, 2013.doi: 10.1038/ncomms3946

Foto: Michalina Chrzanowska; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Michalina Chrzanowska.
MEDICA.de