Herz und Kreislauf im 3-D-Format

Dieser Text ist der Print-Ausgabe 11/2009 von Technologie Review entnommen. Das Heft kann, genauso wie die aktuelle Ausgabe, hier online portokostenfrei bestellt werden.

Kernspin, Röntgen und Ultraschall bekommen Unterstützung. Mit dem Blut zirkulierende Mikro-Magnete eröffnen einen schonenden, scharfen und vor allem schnellen Blick in den Körper.

Die Maus trifft es immer zuerst. Im Hamburger Philips-Forschungslabor für Medizintechnik liegt sie in einer engen Röhre mit etwa zwölf Zentimeter Durchmesser. Als allererstes Lebewesen weltweit wird sie mit einem völlig neuartigen Bildgebungsverfahren durchleuchtet. Winzige Eisenpartikel zirkulieren dazu durch ihren Blutkreislauf. Mittels eines komplexen Zusammenspiels von Magnetfeldern liefern sie millimetergenau Daten für ein dreidimensionales Video über den Blutkreislauf. "Magnetic Particle Imaging" (MPI) taufte das Team um Erfinder Bernhard Gleich dieses Verfahren, das ohne radioaktive Kontrastmittel schonender als Röntgenstrahlung, genauer als Ultraschall und schneller als die Magnetresonanz-Tomografie (MRT) – vereinfacht Kernspin genannt – gefährliche Gefäßverengungen und Krebsgeschwüre aufspüren soll.

"Bisher müssen Patienten viele Untersuchungen für eine exakte Diagnose durchlaufen", sagt Jörn Borgert, Leiter des MPI-Forschungsprojekts. "Wir wollen alle Informationen in einem einzigen Durchgang erhalten." Damit haben sich die Philips-Forscher ein sehr hohes Ziel gesteckt. Denn Röntgenaufnahmen, Kernspintomografie und nukleare Bildgebungsverfahren wie die Positronen-Emissionstomografie (PET) wurden über Jahrzehnte immer mehr verfeinert und leisten unentbehrliche Dienste im Klinikalltag. Die Bildgebung über im Körper zirkulierende Eisenteilchen dagegen hat sieben Entwicklungsjahre hinter sich und gipfelt derzeit in dem kleinen Prototyp, über den sich höchstens Kleintier-Veterinäre freuen könnten. "Aber bis zu ersten klinischen Anwendungen an Patienten hoffen wir, keine weiteren sieben Jahre mehr zu brauchen", sagt Borgert.

Die Chancen dafür stehen nicht schlecht. Denn den Kern der Technologie, der in der exakten Abstimmung statischer und fluktuierender Magnetfelder liegt, haben die Forscher gut im Griff. Und die als Kontrastmittel geeignete Suspension mit den 3 bis 60 Nanometer kleinen Eisenpartikeln ist unter dem Markennamen Resovist bereits für klinische Anwendungen zugelassen.

In den Blutkreislauf der Maus injiziert, schwappt es wie eine Welle durch die Gefäße. Um die Eisenteilchen von außen sichtbar zu machen und damit gleichsam die Konturen der Gefäße abzutasten, wirkt zuerst ein starkes Magnetfeld mit etwa zwei Tesla pro Meter auf das Nagetier – das entspricht der Größenordnung eines aktuellen Kernspin-Tomografen. Dadurch werden alle Eisenpartikel magnetisch in dieselbe Ausrichtung gezwungen. Das angelegte homogene Magnetfeld kann Borgert nun so modulieren, dass in einem sehr kleinen Bereich von nur gut einem halben Kubikmillimeter Größe ein feldfreier Punkt entsteht, in dem die Stärke des Magnetfelds auf null zurückgeht. Auf diese Weise "befreit", kann sich die magnetische Ausrichtung der Eisenpartikel schnell ändern und in Sekundenbruchteilen umpolen. Dieses Oszillieren bildet das eigentliche Signal, es wird von rundum angeordneten Sensoren außerhalb des Körpers aufgefangen und zeigt die Position der Eisenpartikel an.

Ein einziger Bildpunkt wäre jedoch nicht sehr hilfreich. Daher muss der feldfreie Punkt mit seinen frei oszillierenden Eisenpartikeln über das gesamte Beobachtungsfeld – das kann wahlweise ein schlagendes Herz oder ein anderes Organ sein – bewegt werden. Für dieses Abrastern greift Borgert zu zwei weiteren, etwas schwächeren Magnetfeldern. Dank dieser liefern die schwingenden Eisenpartikel Bildpunkt um Bildpunkt, bis schließlich ein dreidimensionales Abbild von Organen oder Blutgefäßen auf dem Rechnerbildschirm erscheint.

Herausragend ist dabei die Geschwindigkeit des Verfahrens. Die Frequenz der Bilder erreicht mit 46 Hertz fast die Qualität klassischer Röhrenfernseher und lässt damit andere bildgebende Verfahren wie Kernspin oder PET, die teilweise nur minutenweise Aufnahmen liefern, weit hinter sich. So komplex diese Methode erscheinen mag – sie erlaubt exakte Echtzeitaufnahmen vom Blutkreislauf. Das Ganze geschieht sehr schnell – bei Verdacht auf einen Herzinfarkt von großer Bedeutung. Im Testlauf filmten die Forscher mehrere Sekunden lang ein schlagendes Mäuseherz. Weil es im tierischen wie menschlichen Organismus keine natürlichen magnetisierenden Partikel gibt, erscheint kein Hintergrundrauschen, und die Eisenteilchen zeichnen sich deutlich ab. Konzentrationsänderungen, etwa bedingt durch einen Stau an einer Engstelle der Gefäße, werden auf diese Weise abgebildet. Mit einem einzigen Scan lassen sich viele verschiedene Parameter wie die Durchblutung der Herzkranzgefäße oder die Pumpleistung des Herzens ermitteln und damit Rückschlüsse auf dessen Funktionstüchtigkeit ziehen. Hinzu kommt, dass mit einer Auflösung von etwa 1,5 Millimetern bereits winzige Ablagerungen in den Blutgefäßen sichtbar gemacht werden können.

Nicht nur die Philips-Forscher sind von der Leistungsfähigkeit des MPI-Verfahrens überzeugt. "Das ist die spannendste Neuentwicklung in meiner Karriere", sagt der seit etwa 20 Jahren praktizierende Radiologe Jörg Barkhausen von der Uniklinik Lübeck. Zusammen mit dem Medizintechniker Thorsten Buzug von der Universität Lübeck will er das MPI-Verfahren mit Philips' Einverständnis zu einem offenen System weiterentwickeln – ganz ohne geschlossene Röhre, in die der Patient geschoben wird. Sogar einen handgroßen MPI-Sensorkopf, mit dem ähnlich wie mit einer Ultraschallsonde in den Körper geschaut werden kann, halten die Lübecker Wissenschaftler für möglich. "Neben der Untersuchung der Blutgefäße ist MPI interessant für den ganz großen Bereich der Onkologie", sagt Barkhausen und hofft auf noch frühere Diagnosen von Krebsgeschwüren. "Wegen seiner großen Schnelligkeit könnte MPI auch während einer Operation Echtzeitbilder für den Chirurgen liefern." Erste Tierversuche plant Barkhausen für das kommende Jahr. Und wenn es gut laufe, sei in fünf Jahren ein experimentelles System für Patienten vorstellbar.

Philips-Entwickler Borgert peilt eine erste Röhre für Menschen in einem ähnlichen Zeitrahmen an. Der bisher verwirklichte Durchmesser seiner MPI-Röhre müsste dazu auf mindestens 60 Zentimeter anwachsen. "Um auch für den amerikanischen Markt interessant zu sein, denken wir an noch größere Geräte", sagt Borgert im Hinblick auf die Körperumfänge der fettleibigen Risikogruppe für Koronarerkrankungen.

International hat sich das Potenzial der bildgebenden Eisenpartikel bereits herumgesprochen. "Durch die Kombination von Schnelligkeit, Auflösungsvermögen und Sensitivität hat diese Magnetic-Particle-Imaging-Technologie ein großes Potenzial für eine verbesserte Diagnostik und repräsentiert einen Durchbruch bei Bildgebungsverfahren am lebenden Organismus", sagt Valentin Fuster, Leiter des Mount Sinai Heart Center in New York. Nach dem ersten Fokus auf den Blutkreislauf könnte MPI in Zukunft auch Aufnahmen von genau ausgewählten erkrankten Körperzonen ermöglichen. Dazu müssten an die Eisenpartikel spezielle chemische Gruppen gekoppelt werden, die sich beispielsweise an bestimmte Krebstumoren binden und Chirurgen ein exaktes Schnittmuster für ihren Eingriff liefern.

Mit gesteigerter Auflösung und funktionellen Seitengruppen könnte MPI sogar neue Impulse für das derzeit boomende Gebiet der molekularen Bildgebung geben. Für diese Diagnoseverfahren, die Erkrankungen in sehr frühen Stadien aufspüren sollen, setzen die Entwickler weltweit bisher auf fluoreszie- rende Substanzen in Kombination mit etablierten Durchleuchtungsmethoden. Mit MPI und Kontrastmitteln aus nanometerkleinen Eisenteilchen erscheint die Erweiterung der molekularen Bildgebung zumindest möglich.

Noch haben die Hamburger Forscher bei der Entwicklung von MPI die Nase vorn. Doch Borgert weiß, dass auch Toshiba und Siemens Interesse an dem Verfahren zeigen. "Aber", so Borgert, der sich mit seinen Kollegen eine ganze Familie von Schlüsselpatenten gesichert hat, "vor denen haben wir keine Angst." (bsc)