Bildgebung: Durchblick bis ins kleinste Detail (1. Teil)

Wiebke Heiss / MEDICA.de

Es wird gemunkelt, dass man in der Antike schon mal zum Tode Verurteilte aufschnitt, um einen Blick in lebende Menschen zu werfen. Vor zirka hundert Jahren gelang es, den Menschen unversehrt zu durchleuchten. Die Entdeckung der Röntgen-Strahlen löste eine rasante Entwicklung in der medizinischen Bildgebung aus.15.10.2008

Ein neues Ziel für die Medizin ist gesteckt: Ärzte wollen Krankheiten erkennen, bevor sie sich bemerkbar machen – mit Hilfe der molekularen Bildgebung. Leidet ein Mensch nämlich eines Tages an einem Tumor, einer Arteriosklerose oder Demenz, dann entstand das Übel oft lange vorher in den kleinsten lebenden Einheiten des Menschen – den Zellen. Forscher sind davon überzeugt, dass es prinzipiell möglich ist, Krankheiten auf molekulare Abnormalitäten zurückzuführen. Und die gilt es zu finden und sichtbar zu machen.

Die Theorie: Kennt man zum Beispiel die molekularen Abweichungen einer Herzschwäche, könnten bestimmte Marker mit fluoreszierenden Molekülen oder radioaktiv strahlenden Isotopen entwickelt werden, die sich an falsch gefaltete Proteine, mutierte Gene oder krankes Gewebe binden. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip reichern sich so signalgebende Marker an der schwachen Stelle im System an und werden durch bildgebende Geräte von außen erkannt und lokalisiert. Der Arzt weiß dann, ob der Patient an einer anfänglichen Herzschwäche leidet oder nicht.

Paradigmenwechsel: Der Mensch soll gar nicht erst krank werden

Das Bundesministerium für Forschung und die Industrie beschlossen daher letztes Jahr gemeinsam, 900 Millionen Euro in die molekulare Bildgebung zu investieren. Die ist nämlich Teil eines Paradigmenwechsels in der Gesundheitslandschaft: Der Mensch soll nicht mehr wie bisher vom Arzt repariert werden, sondern er soll gar nicht erst krank werden. Eine beginnende Krankheit muss so früh erkannt werden, dass sie entweder nicht ausbricht oder nur in abgeschwächter Form.

Eine Analyse der Unternehmensberatung Frost & Sullivan fand heraus, dass die molekulare Bildgebung im Wachstum begriffen ist: die europäischen Märkte lieferten 2007 Einnahmen von 201,1 Millionen US-Dollar und sie sollen bis 2014 auf 287.5 Millionen US-Dollar steigen. Auch Siemens nimmt an der Erschließung dieses Marktes teil. „Wir sehen beim Molecular Imaging ein relativ starkes Wachstum in Deutschland, vor allen Dingen großen Nachholbedarf bei der Kombination PET/CT, aber auch viele Wachstumsmärkte im Raum der Schwellenländer Südostasien, Russland und Lateinamerika“, sagt Markus Lusser, Leiter für den weltweiten Vertrieb und Marketing für molekulare Bildgebung bei Siemens in Illinois, USA.

Tracer für Tumoren, Demenz und Herzprobleme

Dabei handele es sich um drei Bereiche, die für die molekulare Bildgebung eine wichtige Rolle spielten: Laut Lusser seien das zum einen die klassischen diagnostischen Systeme wie die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) und die Spektroskopie. „Aber auch die vorklinische Phase in der Forschung ist wichtig, damit mehr geeignete Biomarker entwickelt werden.“ Das dritte Standbein befasse sich mit der Verteilung und Lieferung von Isotopen, die sehr kurzlebig sind und daher lokal produziert werden müssen. „In vielen Ländern gibt es hierfür noch keine geeigneten Labors.“

Siemens investiert besonders in die Tumordiagnostik und –therapie. „Molecular Imaging, das sich auf PET stützt, ist extrem onkologielastig“, sagt Lusser. „Daher konzentrieren wir uns darauf, neue Isotope zu entwickeln, die ganz spezifische Möglichkeiten eröffnen, so dass man eines Tages zum Beispiel spezielle Tumoren identifizieren kann, die resistent gegen Strahlentherapie sind.“ Parallel versucht man bei Siemens Tracer für Demenz zu entwickeln. Oder einen Herztracer, der es erlaubt den Herzmuskel zu diagnostizieren. „So soll der Arzt dann besser entscheiden können, welche Therapie die geeignete ist.“

- 1. Teil: Durchblick bis ins kleinste Detail
- 2. Teil: Von schädlichen und nicht schädlichen Strahlen
- 3. Teil: Der Blick in und vor den Kopf - fMRT und Portrait-Holographie

2. Teil: Von schädlichen und nicht schädlichen Strahlen

Von Wilhelm Conrad Röntgen
durchlechtet: eine Frauenhand

Bildgebende Verfahren haben die Medizin revolutioniert. Ärzte stützten bis vor etwas mehr als hundert Jahren ihre Diagnose auf äußerliche Symptome. Dann entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen 1895 durch Zufall bei einem physikalischen Experiment eine unsichtbare Strahlung. Kurz darauf entstanden die ersten Röntgenbilder der Geschichte - so fotografierte er das Handskelett einer Frau mit über 20-minütiger Durchleuchtungszeit.

Dass das nicht gut für die Gesundheit ist, entdeckten Forscher Jahre später - Röntgenstrahlen sind krebserregend. Daher wurde mit verfeinerter Technik die Strahlenexposition in den letzten Jahrzehnten extrem verringert. Das könnte Ärzte zu einem laxen Umgang mit der Technologie verleiten: Laut der Deutschen Röntgen-Gesellschaft sind die Hälfte der Röntgenaufnahmen in Deutschland überflüssig. Auch die Computer-Tomographie (CT), die beeindruckende 3D-Bilder aus dem Innern des Körpers liefert und bei der Diagnose von schweren Erkrankungen große Dienste leistet, arbeitet mit Röntgenstrahlen – und trägt zur Belastung der Bevölkerung bei: Im Jahr 2001 machten CT-Untersuchungen sechs Prozent der radiologischen Untersuchungen aus, im gleichen Zeitraum waren sie aber für fast 50 Prozent der Strahlenbelastung verantwortlich.

Nutzen gegen Risiken abwägen

Das Bundesamt für Strahlenschutz rät daher nur zu einer Röntgenuntersuchung, wenn der Patient daraus einen erheblichen Nutzen zieht und das Strahlenrisiko damit verglichen gering einzuschätzen ist – und sich keine anderen Verfahren anbieten, die eine gleiche diagnostische Aussage liefern können.

Andere bildgebende Verfahren setzen auf optische Strahlung. Da könnten Methoden, die mit Licht aus dem Infrarotbereich arbeiten, bestimmte diagnostische Nischen besetzen. „Die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) ist zwar kein Imaging, das hoch aufgelöste Bilder wie bei der CT produziert. Sie ist eher eine Art Oberflächenmapping“, erklärt Professor Ulrich Dirnagl. Der Direktor des Zentrums für Schlaganfall-Forschung an der Berliner Charité untersucht damit den Sauerstoffgehalt der Großhirnrinde, der äußeren Nervenzellschicht des Gehirns. Dort liegen viele motorische und sensorische Funktionen. Um in diese Schicht zu gelangen, nimmt man Licht aus dem nahinfraroten Spektrum, weil das besonders gut Gewebe durchdringen kann - eben bis in die oberen Schichten des Hirns.

Mit Infrarotlicht in den Kopf
© Dirnagel

Es ist wichtig, die Sauerstoffversorgung des Gehirns zu beobachten, weil ein Mangel an dem Gas innerhalb von wenigen Minuten zu schweren Schäden führen kann. „Bei neu geborenen Kindern, zum Beispiel, kann man mit NIRS den Metabolismus im Hirn messen und beobachten“, erklärt Dirnagel. „Eine weitere Nische für die Messmethode ist möglicherweise die Untersuchung von Weichgewebe wie die weibliche Brust.“ So könnte es eines Tages möglich sein, eine Art optische Mammografie zu entwickeln. Und auch für die molekulare Bildgebung könnte NIRS relevant sein. Sie erweitert nämlich den Spielraum geeignete Marker zu finden, weil "Farbstoffe als Signalgeber in Frage kommen, die im Nahinfrarot-Bereich detektiert werden können".

Auch im Kampf gegen die schmerzhafte Arthritis könnte NIRS zum Einsatz kommen: „Nahinfrarot-Farbstoffe können in die Gelenke der Hand eingebracht werden. Tritt in entzündeten Gelenken Flüssigkeit aus, kann man das dann mit einem speziellen Gerät messen“, erklärt Dirnagel. Der Patient muss nur eine Hand hineinstecken. Die wird dann mit nahinfrarotem Licht durchleuchtet und so könne man den Verlauf einer Therapie kontrollieren. „Die technische Machbarkeit ist da. Jetzt kommt es darauf an, ob die NIRS sensitiv, spezifisch und kostenattraktiv ist.“

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- 2. Teil: Von schädlichen und nicht schädlichen Strahlen
- 3. Teil: Der Blick in und vor den Kopf - fMRT und Portrait-Holographie

3. Teil: Der Blick in und vor den Kopf - fMRT und Portrait-Holographie


Ein großer Meilenstein in der medizinischen Bildgebung ist Magnetfeldern zu verdanken. Bei der Magnetresonanz-Tomographie (MRT) wirkt ein sehr starkes Magnetfeld auf den Menschen ein, das die Atomkerne im Menschen von einem energiearmen in einen energiereichen Zustand befördert. Schaltet man das Magnetfeld aus, fallen die Atomkerne wieder in den energiearmen Zustand zurück und senden dabei Signale aus, die durch hochempfindliche Antennen gemessen werden. Ein Computer berechnet aus den Signalen ein Schnittbild durch den Körper.

Die MRT eignet sich besonders gut, um 3D-Aufnahmen von Geweben wie Weichteile, Organe, Gelenkknorpel, Meniskus, Bandscheiben, Gehirn und auch das Herz zu machen – anders als beim CT, das sich besser für die Abbildung von knöchernen Strukturen eignet. Eine Weiterentwicklung dieser Methode ist die funktionelle MRT, die Stoffwechselvorgänge im Gehirn sichtbar machen – und so indirekt menschliche Gedanken preisgeben.

Eine Tasse Kaffee kann die Ergebnisse verfälschen

„Die funktionelle MRT ist ein gigantischer Sprung für die klinischen Neurowissenschaften“, sagt Professor Christoph Stippich, geschäftsführender Oberarzt der Abteilung Neuroradiologie an der Universität Heidelberg. „In Deutschland wird sie als echte klinische Applikation bisher nur im Bereich der Diagnostik vor Operationen an Hirntumoren eingesetzt.“ Zum Beispiel, um zu bestimmen wie ein Tumor möglichst schonend und funktionserhaltend aus dem Gehirn heraus operiert werden kann. „Eine fMRT hilft dem Chirurg dabei zu entscheiden, wie risikoreich der Eingriff sein wird, so dass man vielleicht nur einen Teil des Tumors entnimmt und den verbleibenden Rest zum Beispiel besser bestrahlt.“

In der Forschung haben sich durch neurofunktionelle Bildgebungsverfahren ganz neue Fenster eröffnet, dem Gehirn bei der Arbeit zuzuschauen. Stippich arbeitet in einem Projekt mit Orthopäden zusammen, um herauszufinden, wie sich nach einem Unfall bei Querschnittsgelähmten das Gehirn umstrukturiert. „In Zukunft wird die fMRT dabei helfen, die Reorganisation des Gehirns zu beobachten“, so der Neuroradiologe. „Wie reagiert es beispielsweise nach einem Schlaganfall auf Therapien in der Rehabilitation? Man könnte mit der fMRT Kandidaten ausfindig machen, bei denen bestimmte Therapien am Besten wirken.“ In Zukunft könnten Fragen beantwortet werden, wie das Gehirn auf eine Schädigung reagiert, wie es sich erholt und welche Therapie zu welchem Zeitpunkt am sinnvollsten ist.

Es gibt allerdings auch Limitationen: Da die Hirnfunktion indirekt gemessen wird und das nicht ganz mit der neuronalen Aktivität übereinstimmt, kann schon eine Tasse Kaffee die Ergebnisse verfälschen, da Koffein die Durchblutung beeinflusst. „Die fMRT ist kein perfektes Verfahren, aber in der Kombination mit verschiedenen anderen Verfahren wie der PET oder einem EEG gibt es ein umfassendes Bild über verschiedene Funktionen des Gehirns.“

Mit der Portrait-Holografie wird auch die kleinste Pore abgebildet

Ähnliches gilt für eine Technologie, deren Produkte uns Tag für Tag auf 50-Euro-Scheinen und Kreditkarten begegnen - den Hologrammen. Kaum eine andere bildgebende Methode wird so mit mysteriösen Zukunftsvisionen assoziiert wie die Holografie. Dabei sind die 3D-Abbildungen letztendlich nichts anderes als spezielle Fotos - dazu noch welche, die immer gelingen - mit einem tragbaren Gerät, das von Peter Hering entwickelt wurde. "Durch die extrem kurze Aufnahmezeit von nur 35 Nanosekunden mit einem kurzgepulsten Laser, kann bei der Aufnahme gar nichts verwackeln", erklärt der geschäftsführende Direktor des Institutes für Lasermedizin an der Universität Düsseldorf. Der Professor ist auf Portrait-Holografie spezialisiert und stellt Hologramme von Köpfen her, die so detailgetreu sind, dass sogar Bartstoppeln und einzelne Poren zu erkennen sind - und das in 3D.

Dafür braucht man einen speziellen Laser, einen Strahlenteiler, der das intensive Licht in zwei Teile spaltet und Spiegel, die die beiden Strahlen umlenken. Wenn dann die Lichtstrahlen gleichzeitig auf das hochauflösende lichtempfindliche Aufnahmematerial treffen, überlagern sich dort die kohärenten Strahlen und ergeben ein so genanntes Interferenzmuster - das Master-Hologramm, in dem alle Informationen über das holografierte Objekt gespeichert sind. In einem weiteren Schritt wird das reelle 3D-Objekt digitalisiert. Daraus lassen sich anschließend 3D-Datensätze mit Textur erstellen.

"In der Kombination mit anderen 3D-Verfahren wie der CT und MRT können Hologramme Beträchtliches leisten", sagt Hering. Der Physiker arbeitet zurzeit an einem Projekt, das Forensikern eines Tages helfen könnte, Tote zu identifizieren. "Wir stellten von zwölf kaukasischen Männern und zwölf kaukasischen Frauen zwischen 20 und 25 Jahren Schädel-CTs und Portrait-Hologramme her und werteten die Daten dann aus, so dass wir die Weichteildicken im Gesicht bestimmen können." Wird also in Zukunft ein Schädel gefunden, könnten die standardisierten Daten aus dem Projekt helfen, eine realitätsnahe Rekonstruktion des verstorbenen Menschen herzustellen und seine Identität zu lüften. "Diese Thematik ist immer noch relevant für die Tsunami-Opfer auf Phuket. Es gibt immer noch 4.000 unidentifizierte Personen", so Hering.

Amerikanische Soldaten sollen gescreent werden

Mit einem Hologramm gibt es
nicht nur 3D, sondern auch
Textur - bis in die Poren
© Prof Peter Hering

Auch die US-Armee interessiert sich für Herings Arbeit. Als man den Physiker zu dem Workshop “The Virtual Face“ ins US- Verteidigungs- ministerium einlud, wusste er erst nicht, worum es gehen sollte. Man plant dort, von Soldaten, die in den Krieg ziehen, einen vollständigen medizinischen Datensatz zu kreieren. „Mit einem hoch auflösenden CT und MRT wird das Innere gespeichert, mit der Holografie soll ein exaktes Oberflächenbild des Gesichtes mit Mimik gemacht werden", erzählt Hering. Der Grund: Passiert in ferner Zukunft dem Soldaten im Einsatz etwas, könnte man ihn nach seiner Heimkehr mit der Hilfe von Zukunftstechnologien wie Tissue Engineering oder Nerve Engineering wieder so herstellen, wie er einmal war. "Das klingt wie eine Utopie und es ist sicherlich schwieriger zu realisieren als der Flug auf den Mond, aber es ist eine gute Idee", sagt Hering. Und denkt dabei daran, dass durch diese Forschung zivile Anwendungen profitieren können, um Tumorpatienten oder Unfallopfern zu helfen.

Wiebke Heiss
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