Ein Forschungsteam der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Technischen Universität Graz arbeitet an einem Verfahren, das den Zellstoffwechsel in der Bildgebung deutlicher sichtbar macht und so zur Früherkennung von Krankheiten durch MR-Biomarker beiträgt.
Mit Hilfe der Magnetresonanztomografie (MRT) lassen sich heute vor allem die Weichteile im menschlichen Körper sehr gut darstellen – und zeigen Veränderungen wie Tumoren. Viele Erkrankungen lösen allerdings bereits Veränderungen im Zellstoffwechsel aus, bevor im MRT eine substanzielle Strukturveränderung des Gewebes zu erkennen ist.
Das Team um Prof. Dr. Moritz Zaiß, Inhaber der Professur für Multimodale Bildgebung in der klinischen Forschung an der FAU, und von der TU Graz arbeitet derzeit an einem Verfahren, das Stoffwechseländerungen bereits im MRT sichtbar macht und Krankheiten durch MR-Biomarker rechtzeitig erkennt.
Während beim Röntgen die Knochenstrukturen sichtbar gemacht werden, können mit der Magnetresonanztomografie die Weichteile des Körpers und verschiedene Gewebetypen mit einer hohen räumlichen Auflösung dargestellt werden. Das Magnetfeld misst die Protonen im Kern von Wasserstoffatomen räumlich aufgelöst – und damit auch das Körpergewebe, das zu großen Teil aus Wasser besteht.
Bestimmte Erkrankungen könnten bereits früh erkannt werden, wenn Gewebeveränderungen in einem Stadium identifiziert werden, in dem erste Unregelmäßigkeiten im Zellstoffwechsel auftreten – und damit typische frühe Anzeichen, dass etwas mit der Zelle nicht stimmt. Könnte man diesen Zellstoffwechsel ebenfalls in 3D sichtbar machen und feststellen, wie hoch etwa der Kreatin-Gehalt oder der pH-Wert an bestimmten Stellen im Gewebe ist, wäre dies ein immenser Gewinn. Solche Werte sind häufig Biomarker, messbare Hinweise im Körper auf bestimmte Erkrankungen.
Grundsätzlich könnte dies gerade die neuen leistungsstarken Hochfeld-Magnetresonanztomografen mit Feldstärken von sieben Tesla oder mehr erfüllen. In verschiedenen Molekülen nämlich, die in der zellulären Struktur oder im Zellstoffwechsel vorkommen – etwa Proteine und Stoffwechselzwischenprodukte, die Metaboliten – sind ebenfalls Wasserstoffatome enthalten, allerdings in deutlich geringerer Konzentration als in Wasser. Das Verfahren CEST-MRT (Chemical exchange saturation transfer-MRT) erhöht durch den chemischen Prozess des Protonenaustauschs die Sensitivität des MRT, so dass es auch auf die geringen Konzentrationen von Wasserstoffprotonen in Proteinen und Metaboliten anspringt. Die CEST-MRT-Methode ist nicht-invasiv ist und benötigt keine Kontrastmittel.
Aktuell dauert eine Untersuchung, um genügend hohe Mengen an Daten zu erheben, noch zu lange und könnte PatientInnen überfordern. Auch die Auswertung der Datenmassen und die optimale Steuerung des CEST-MRT – die Forscher setzen dafür Radiofrequenzsignale ein – sind ungelöste Probleme.
Zaiß und seine KollegInnen aus den Fachbereichen Physik, Radiologie, Ingenieurwesen und Mathematik wollen zwei Lösungsansätze parallel verfolgen:Sie wollen perfekte passende Radiofrequenzsignale entwickeln und geichzeitig die Untersuchung durch neuartige Mess- und Rekonstruktionsverfahren um mehr als das zehnfache beschleunigen.
Dafür arbeiten sie vor allem am Ultra-Hochfeld-MRT Magnetom Terra, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der FAU und des Universitätsklinikums Erlangen selbst mit entwickelt haben. Damit könnten sie einen entscheidenden Beitragfür eine bessere und patientenfreundliche Erfassung molekularer Information durch die Magnetresonanzbildgebung leisten – und eine Basis für eine breitere klinische Anwendung in der Biomarker-Bildgebung und der Präzisionsmedizin schaffen.