Magnetresonanztomographie

Mäuseherz im Bild

von Hannelore Gießen, Würzburg

Brandaktuell war das Thema, über das Professor Dr. Axel Haase bei der Jahrestagung der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft Mitte Oktober in Würzburg sprach: Magnetresonanztomographie. Der Biophysiker beschrieb den Einsatz der kürzlich mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichneten Technik in der Grundlagenforschung.

Dass die von ihnen entwickelte Technik in der Medizin jährlich über 60 Millionen Mal zur Anwendung kommen wird, haben sich Paul Lauterbur und Peter Mansfield vor dreißig Jahren nicht träumen lassen. Haupteinsatzgebiet der von den beiden Nobelpreisträgern entwickelten Methode ist tatsächlich die Klinik. Doch die weit über 20.000 Geräte, die es weltweit gibt, stehen nicht nur in Kliniken, sondern auch in den Labors der Grundlagenforscher. Das Verfahren wird in der Biologie, Chemie und Physik angewandt, aber auch in der Pharmazie zur Wirkstoffuntersuchung in vivo. Wird die Methode in der Medizin mit MRT für Magnetresonanztomographie abgekürzt, so bezeichnen Biophysiker das zu Grunde liegende Prinzip als NMR für nuklearmagnetische Resonanz, das Verfahren als NMR-Imaging.

Signale aus dem Herzmuskel

Wie die Würzburger Biophysiker nuklearmagnetische Resonanz in der Grundlagenforschung einsetzen, erklärte Dr. Axel Haase, Professor für Biophysik und seit 1. Oktober 2003 Rektor der Universität Würzburg, am Beispiel eines Mäuseherzens. Seine Arbeitsgruppe nimmt an einem Sonderforschungsbereichs teil, der interdisziplinär Ursache, Diagnose und Therapie von Herzmuskelschwäche untersucht. NMR-Imaging eignet sich dafür besonders gut, weil das Verfahren nicht invasiv ist. Somit können die Wissenschaftler an einem einzelnen Tier verfolgen, wie es auf einen Arzneistoff reagiert oder wie sich stufenweise eine Krankheit entwickelt. In diesen präklinischen Untersuchungen wird dieselbe Methode eingesetzt wie später in der Klinik.

 

Bildgebung mit Magnetresonanz Zu Beginn der 80er-Jahre kam die Magnetresonanztomographie (MRT), auch als Kernspintomographie bezeichnet, zur medizinischen Anwendung. Dabei handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren, das statt mit Röntgenstrahlen mit Radioimpulsen und einem Magnetfeld arbeitet. Zu Grunde liegt das Prinzip der nuklearmagnetischen Resonanz (NMR), die sich bei der medizinischen Bildgebung überwiegend auf die Darstellung der Wasserstoffatomkerne, der Protonen, stützt. Wie andere Atomkerne, die eine ungerade Zahl von Protonen oder Neutronen aufweisen, ist deren Ladung ungleichmäßig verteilt. Auf Grund ihrer auch als Spin bezeichneten Eigenrotation ähneln sie in ihren Eigenschaften kleinen Magneten. In einem starken Magnetfeld richten sie sich entlang der Feldlinien dieses Magneten aus. Aus dieser Gleichgewichtslage können die Atome ausgelenkt werden, wenn sie hochfrequenten Radiowellen mit einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt werden. Wird dieser Hochfrequenzimpuls wieder abgeschaltet, kehren die Spins wieder in ihre Ausgangslage zurück. Dabei senden sie die aufgenommene Energie als Radiowellen aus, die von Antennen aufgefangen und in Bildinformationen umgesetzt werden.

 

Das Herz im Bild festzuhalten stellt jedoch besondere Anforderungen an die Technik, ist es doch durch Herzschlag und Atmung immer in Bewegung. Ein Mäuseherz schlägt sogar 600-mal in der Minute, während ein menschliches Herz in derselben Zeit nur 60- bis 70-mal pulsiert. Und ein Mäuseherz ist nur wenige Millimeter groß, während die Dimension eines menschlichen Herzens dieses Maß um eine Zehnerpotenz übersteigt.

Von der Form zur Funktion

Für die Grundlagenforschung werden häufig Geräte mit horizontaler Bohrung verwendet, da sie wesentlich höhere Magnetfeldstärken erreichen, nämlich bis zu 20 Tesla. Die aus der Klinik bekannten Geräte verfügen nur über eine Feldstärke von 1,5 bis 2 Tesla. Je höher die Feldstärke, desto besser ist jedoch das Signal und desto kontrastreicher auch das Bild. Dabei setzen die Würzburger Wissenschaftler bei ihren Untersuchungen nicht wie in der Klinik einen fertigen Magnetresonanztomographen ein, sondern statten die Geräte individuell, je nach Fragestellung, mit dem optimal passenden Radiofrequenzsender sowie -empfänger aus.

Nuklearmagnetische Resonanz liefert weit mehr als nur anatomische Bilder. So können Durchblutung, Diffusion und Temperatur des Gewebes bestimmt werden, und selbst feinste Veränderungen sind im Bild auszumachen. Ziel der Würzburger Arbeitsgruppe ist es, Methoden zu entwickeln, um die Leistung des Herzmuskels quantitativ zu bestimmen sowie die Architektur der Gefäße und den Blutfluss in den Kapillaren darzustellen.

Wie sich die Herzwand bewegt, wie sich das Blut in den Kapillaren verteilt, können die Biophysiker bereits sichtbar machen. Von den Herzkranzgefäßen ist nicht nur eine 2-D-Aufnahme möglich, sondern inzwischen auch ein 3-D-Flug durch die Arterien. Dabei werden die NMR-Bilder Zeile für Zeile aufgebaut und zu einem Film verknüpft.

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler auch Tiermodelle entwickelt, an Hand derer Bluthochdruck sowie Ablagerungen in der Aorta untersucht werden können. Dazu werden Knockout-Mäuse eingesetzt, denen ein bestimmtes Gen fehlt, zum Beispiel der LDL-Rezeptor Apo-E. Ohne passenden Rezeptor, an den es binden kann, schwimmt massenhaft LDL-Cholesterol im Blut. Eine Atherosklerose kann simuliert und mit Hilfe von NMR beobachtet werden.

Wie ein Bild entsteht

Doch bevor die eindrucksvollen Bilder entstehen, müssen die verschiedenen NMR-Parameter noch in die gewünschten Informationen umgeschrieben werden. Denn was gemessen wird, ist die Zeit, bis ein NMR-Signal zerfällt und wieder aufgebaut wird, die Zahl der untersuchten Atomkerne pro Volumeneinheit sowie die Phase des NMR-Signals. Den Anwender interessieren jedoch nicht diese NMR-Parameter, sondern biologische Messgrößen wie Gewebedurchblutung und Blutfluss oder physikalische wie Zeit und Temperaturverteilung. Die NMR-Parameter müssen deshalb über ein geeignetes Modell in die benötigten Daten übersetzt werden. Nicht nur beim Entwickeln der Methode und dem Abstimmen des Radiosignals auf die gewünschte Untersuchung, sondern auch bei der Auswertung sei die Biophysik gefordert, betonte Haase.

Blick ins Mitochondrium

Die Möglichkeiten von NMR-Imaging sind noch lange nicht ausgereizt. Am Beispiel eines isolierten Rattenherzens zeigte Haase eindrucksvoll, was bei einer Stenose geschieht. Diese Darstellung soll bald auch bei einem schlagenden Herzen gelingen. Und mit NMR soll ein tiefer Blick nicht nur in eine Zelle, sondern auch in ihre einzelnen Strukturen möglich werden.

Als zukünftiges Ziel seiner Arbeitsgruppe bezeichnete Haase zudem Multiparameter-Messungen. Dabei sollen anatomische Informationen mit biochemischen verknüpft werden, zum Beispiel Veränderungen der Herzkranzgefäße mit der Verteilung von ATP im Herzmuskel. Doch dazu müssen Geräte mit noch höherer Feldstärke entwickelt und die Experimentalzeiten deutlich kürzer werden.

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