Biomedizinische Technik

Bilder des Stoffwechsels in Echtzeit

Wissenschaftler der UZH und ETH Zürich erforschen eine neue Anwendung der Magnetresonanztomographie. Damit können sie Stoffwechselvorgänge in Körperzellen sichtbar machen. Die Technik soll bald bei der Diagnose von Herzkreislauferkrankungen und Krebs zur Anwendung kommen. 

Fabio Bergamin

Magnetresonanzaufnahme eines Herzens. In Zukunft können solche Aufnahmen mit Kohlenstoff-Atomkernen anstatt mit Wasserstoff-Atomkernen hergestellt werden.  (Bild: zVg)

Es ist praktisch ein Kinderspiel geworden, ins Innere des menschlichen Körpers zu schauen. Verfahren wie die Magnetresonanztomographie gehören mittlerweile zu den Standardmethoden, mit denen Ärzte die Anatomie ihrer Patienten untersuchen können.

Forscher der UZH und ETH Zürich sind nun daran, die Magnetresonanztomographie weiterzuentwickeln, um damit Stoffwechselvorgänge in Körperzellen nicht-invasiv zu beobachten. Damit können sie beispielsweise verfolgen, wie Zuckerabbaustoffe in den Zellen umgewandelt werden. Diese neue Methode könnte schon bald medizinische Anwendung finden beispielsweise bei der Diagnose von Herzkreislauferkrankungen und in der Krebstherapie.

Um die organischen Moleküle des Stoffwechsels sichtbar zu machen und zu unterscheiden, nutzen die Forscher die magnetischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Atomkernen. Dies im Gegensatz zur herkömmlichen Magnetresonanztomographie, bei der Wasserstoff-Atomkerne verwendet werden.

Während Wasserstoffkerne ein sehr starkes Signal geben – unter anderem weil sie im Körper sehr häufig vorkommen –, ist die Detektion von Signalen der Kohlenstoffkerne im Organismus weitaus schwieriger. Die Wissenschaftler müssen daher die Magnetisierung der Kohlenstoffatome verstärken, was allerdings nicht ganz einfach ist. «Wir bedienen uns eines Tricks», sagt Sebastian Kozerke, Professor am Institut für Biomedizinische Technik der Universität Zürich und der ETHZ, der das Projekt gemeinsam mit Matthias Ernst, Professor am Laboratorium für Physikalische Chemie der ETH Zürich, leitet.

Sebastian Kozerke: «Wir untersuchen mit der neuen Methode den Stoffwechsel und zeigen, wie schnell er reagiert.» (Bild: zVg)

Erst Elektronen, dann Kohlenstoffkerne magnetisiert

Dieser Trick besteht darin, die freien Elektronen von kleinen organischen Molekülen ausserhalb des Körpers bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius mit einem starken Magneten zu polarisieren. Die Polarisierung der Elektronen wird anschliessend mit Mikrowellenpulsen auf die Kerne der Kohlenstoffatome übertragen.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher ein Gerät gebaut, das im Wesentlichen aus einem Kühlsystem und einem starken Magneten besteht. Darin können sie nun organische Verbindungen des menschlichen Stoffwechsels, etwa Brenztraubensäure (Pyruvat), ein Zuckerabbaustoff, in gefrorenem Zustand magnetisieren. Werden so magnetisierte Verbindungen mit sehr heissem Wasser rasch aufgetaut, zerfällt die Magnetisierung nur wenig und die Stoffe können in einen Organismus injiziert werden. Das magnetisierte Molekül kann so als eine Art Kontrastmittel in einer magnetresonanztomographischen Untersuchung verwendet werden. Damit kann nicht nur der Verbleib des Moleküls im Körper beobachtet werden, sondern es ist erstmals auch möglich, dessen Abbauprodukte zu verfolgen und zu unterscheiden. Diese Unterscheidung gelingt, weil Pyruvat und seine Abbauprodukte eine unterschiedliche Resonanzfrequenz haben.

Stoffwechsel reagiert sehr schnell

Derzeit laufen Tierversuche, mit denen die Forscher die Wirksamkeit der Methode aufzeigen wollen. Schon in wenigen Jahren könnte sie bei Menschen zum Einsatz kommen, sagt Sebastian Kozerke. Eine Firma ist daran, die Technik für diesen Einsatz weiterzuentwickeln.

Die Methode könnte dann zum Beispiel zur Überwachung einer Chemotherapie von Krebs verwendet werden. So erwarten die Forscher, dass damit sehr viel früher entschieden werden kann, ob ein bestimmtes Medikament auch tatsächlich auf den Tumor eines Patienten wirkt. «Wir untersuchen mit der Methode direkt den Stoffwechsel, der sehr schnell reagiert», sagt Kozerke.

Bestimmung von Risikopatienten

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Diagnose von Durchblutungsstörungen des Herzmuskels. Eine kurzzeitige Durchblutungsstörung sei nicht unbedingt anatomisch feststellbar, jedoch im Stoffwechselprofil der entsprechenden Zellen auch noch Stunden später sichtbar, sagt Kozerke. Kardiologen hätten so eine neue Möglichkeit, Durchblutungsstörungen zu diagnostizieren, was ihnen helfen könnte, bei Patienten das Risiko für einen Herzinfarkt abzuschätzen.

Bis zu einem gewissen Grad ist es schon mit herkömmlichen Methoden möglich, Stoffwechselvorgänge im Körper sichtbar zu machen, etwa mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Dafür werden allerdings nicht körpereigene sondern analoge Moleküle verwendet, die sich im Körper bloss ähnlich verhalten wie körpereigene. Damit kann etwa die Aufnahme von Zucker in Zellen beobachtet werden, nicht aber, wie Zucker im Stoffwechsel der Zelle zu anderen Molekülen umgebaut wird.

Neben den Zürcher Forschern sind weltweit auch mehrere andere Gruppen in diesem Forschungsbereich tätig. So konnten Wissenschaftler mit dieser Methode auch erstmals in einem lebenden Organismus nicht-invasiv messen, wie sauer das Innere einer Zelle ist, und damit einen wichtigen biologischen Indikator erfassen. Dies gelang ihnen durch den Vergleich der Konzentration von Kohlendioxid und Bicarbonat, zweier Abbauprodukte des Pyruvats.

Literaturhinweis Batel M, Krajewski M, Weiss K, With O, Däpp A, Hunkeler A, Gimersky M, Pruessmann KP, Boesiger P, Meier BH, Kozerke S, Ernst M: A multi-sample 94 GHz dissolution dynamic-nuclear-polarization system. Journal of Magnetic Resonance 2012; 2014: 166-174. doi: 10.1016/j.jmr.2011.11.002

Fabio Bergamin ist Journalist und Mitarbeiter von ETH Life.

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