Team 4

Entwicklung der Helium-3-Kernspintomographie für den Bereich der Lunge: Helium lässt die Lunge leuchten

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Die bildliche Darstellung der Lunge und ihrer krankhaften Veränderungen ist ein altes radiologisches Problem. Die klassische Röntgenaufnahme oder auch Durchleuchtung erkannte eine Tuberkulose an den Kalkflecken in den Narben oder einen Tumor an der Verdichtung des ansonsten recht porösen Lungengewebes. Aber die für das Gros der Lungenkrankheiten, z.B. Asthma, Emphysem, so wichtige Frage, wie gut die Lunge lokal belüftet (ventiliert) ist, blieb auch mit modernen Verfahren, wie der Computertomographie oder der Magnetresonanztomographie (MRT) offen. Eine ungefähre, mehr schemenhafte Darstellung der Lungenventilation gelang nur durch Einatmen eines radioaktiven Gases, von dessen Verteilung man ein Szintigramm mit schwacher räumlicher Auflösung gewinnen konnte.

Seit einigen Jahren hat hier die MRT mit eingeatmetem, kernspinpolarisiertem Helium-3 neue Perspektiven aufgezeigt.

Seit Röntgen kommen die entscheidenden Anstöße in der medizinischen Bildgebung aus der Physik. So war es auch diesmal. Seit vielen Jahren schon experimentierten Physiker aus aller Welt mit kernspinpolarisierten Edelgasen. Dabei werden mit der Methode des optischen Pumpens (hierfür Nobelpreis an Alfred Kastler, ENS Paris, 1966) die Kernspins der Atome und die damit verknüpften magnetischen Dipole fast vollständig entlang einer Magnetfeldachse ausgerichtet. Das gelingt durch Absorption von zirkularpolarisiertem, resonantem Laserlicht, das seinen Drehsinn zunächst an das Leuchtelektron und dann durch magnetische Koppelung weiter auf den Kernspin überträgt. Die Ausrichtung der Kerndipole, die im Normalfall das Magnetfeld eines MR-Tomographen bei den Kernspins des Wasserstoffs im Gewebe erzeugt, ist im Vergleich dazu 100.000 mal schwächer. Dieser Umstand bewog 1994 eine Forschergruppe aus Princeton und Stony Brook, in eine präparierte Mäuselunge optisch gepumptes Xenongas zu injizieren, um sie mit den hochpolarisierten Xenonkernen als Kontrastmittel im MR-Tomographen bildlich darzustellen.

Zu diesem Zeitpunkt hatten Mainzer Physiker eine andere Variante des optischen Pumpens soweit entwickelt, dass es gelang, die Kernspins des Edelgases Helium-3 in Litermengen zu polarisieren; sie hatten auch Wege gefunden, um diese Polarisation über Tage hinweg zu erhalten.

Dabei hatten sie aber ursprünglich Ziele aus der Grundlagen-Kernphysik im Auge, nämlich die Erforschung der inneren, elektromagnetischen Struktur des Neutrons durch Streuung von ebenfalls polarisierten Elektronen am Mainzer-Mikrotron-Beschleuniger. Diese Entwicklungen kamen ihnen zugute, um nach dem Bekanntwerden des amerikanischen Pilotexperiments in Zusammenarbeit mit Mainzer Radiologen und MR-Physikern des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg aus dem Stand heraus ein MRT-Bild der menschlichen Lunge nach Einatmen von polarisiertem Helium-3 zu gewinnen. Einige Monate später konnte am MR-Tomographen der Mainzer Radiologie bereits die erste Übersicht über typische Krankheitsbilder der Lunge mit Helium-3-MRT gewonnen werden.

Welche diagnostische Brisanz in dem neuen Verfahren liegt, zeigt der Vergleich der Helium-3-Lungenbilder zweier junger, gesunder Probanden, der eine raucht, der andere nicht. Die Raucherlunge weist bereits jetzt - ohne Beschwerden beim Probanden - Schatten, als Vorboten eines drohenden Emphysems in späterem Alter auf.

Inzwischen hat die Technik sich zu mehreren Varianten der funktionellen Bildgebung weiterentwickelt:

  1. Im Zehntelsekundenrhytmus kann man dreidimensionale Bilder der Lunge schießen und damit praktisch einen Film des Ein- und Ausatmens drehen und die Behinderungen erkennen.
  2. Anhand des Resonanzsignals kann man den Diffusionsweg eines Helium-3-Atoms durch die Lunge verfolgen und normales, engmaschiges Bläschengewebe von krankhaft aufgeblähtem unterscheiden.
  3. Im Kontakt mit Luftsauerstoff in der Lunge zerfällt die Helium-3-Polarisation innerhalb weniger Sekunden; exaktes Messen dieser Zerfallszeit lässt den Sauerstoffgehalt und -verbrauch der Lunge lokal erkennen. Damit kann man erstmals die zentrale Lungenfunktion räumlich aufgelöst und nichtinvasiv diagnostizieren.

Die Helium-3-MRT der Lunge ist hier als Beispiel aufgeführt, wie innovative Anwendungen spontan aus der Grundlagenforschung heraus entstehen können.

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:
E-Mail: info@deutscher-zukunftspreis.de
Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de


Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Entwicklung der Helium-3-Kernspintomographie für den Bereich der Lunge“ wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft vorgeschlagen.