Quantentechnologie für die Krebs-Bildgebung

Den Stoffwechsel von Tumorzellen per Magnetresonanztomographie (MRT) nachzuverfolgen ist bisher nicht in der klinischen Routine möglich. Ein interdisziplinäres Forschungsteam mit Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) arbeitet nun daran, einen quantenbasierten Hyperpolarisator weiterzuentwickeln und bis in die klinische Anwendung zu bringen. Ziel ist es, damit die MRT-Bildgebung von Stoffwechselprozessen deutlich zu verbessern, um beispielsweise Tumore früher und genauer beurteilen sowie die Auswahl und Überwachung von Tumortherapien verbessern zu können.

Quantenmechanik erklärt physikalische Phänomene im allerkleinsten Bereich, auf Ebene der Moleküle, Atome, Atomkerne und noch kleinerer Einheiten. Nicht erst seit Verleihung des diesjährigen Physiknobelpreises an drei Wissenschaftler in diesem Forschungsgebiet ist das Bestreben groß, verschiedene Bereiche unseres Lebens durch Quantentechnologien zu revolutionieren, sei es durch Quantencomputer oder Quantensensorik. Wie lassen sich die neuen Technologien medizinisch nutzen?

Metabolische Bildgebung macht Stoffwechselvorgänge sichtbar

Um Krebszellen besonders früh zu entdecken, genauer zu beurteilen und die Wirksamkeit von Behandlungen schneller zu evaluieren, kann es helfen, Stoffwechselprozesse in kranken und gesunden Zellen sichtbar zu machen. Dies nennt man metabolische Bildgebung. Es werden dafür diagnostisch relevante Moleküle in den Körper injiziert und ihre Verstoffwechselung nachverfolgt.

Möglich ist dies zum Beispiel mit Positronen-Emissions-Tomografie (PET), jedoch nutzt diese Methode radioaktive Substanzen und kann nicht zwischen Ausgangs- und Endprodukt in Stoffwechselprozessen unterscheiden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Magnetresonanztomographie (MRT) metabolische Bildgebung unterschiedlicher Stoffwechselprodukte ohne radioaktive Substanzen - allerdings nur, wenn das MRT-Signal der injizierten Moleküle deutlich verstärkt und somit detektierbar wird. Obwohl erste Patientenstudien ein vielversprechendes Potential metabolischer Bildgebung mit MRT zeigen, konnten die bislang zur Signalverstärkung verwendeten Technologien aufgrund hoher Kosten, mangelnder Robustheit und großem Zeitaufwand bisher nicht routinemäßig klinisch eingesetzt werden.

Das interdisziplinäre Forschungsteam im Projekt „Revolutionierung der Krebsbildgebung durch Quantentechnologien “ (QuE-MRT) entwickelt nun eine neue Lösung: einen sogenannten Quanten-Hyperpolarisator. Dieser nutzt quantenphysikalische Gesetze, um das Signal der Stoffwechsel-Moleküle im MRT bis zu 100.000-fach zu verstärken.

Bildgebung basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik

Die Technik üblicher MRT-Geräte basiert bereits auf quantenmechanischen Eigenschaften von Atomkernen: Sie nutzt Merkmale der sogenannten Kernspins, auch Drehimpulse genannt. Jeder Kernspin erzeugt ein magnetisches Moment ähnlich dem eines Dipolmagneten einer Kompassnadel.

Von der Ausrichtung der Kernspins hängt ab, wie stark das gesamte magnetische Moment der Atomkerne ist. Dies legt wiederum fest, wie stark ihr Signal ist, das für die Bildgebung im Magnetresonanztomographen genutzt werden kann. Bei einer zufälligen Richtungsverteilung der magnetischen Momente heben sich diese gegenseitig auf und es kann kein Signal im MRT gemessen werden. Das stärkste Signal wird erreicht, wenn die magnetischen Momente der Kernspins in die gleiche Richtung zeigen, die effektive Magnetisierung ist dann maximal.

Um dies zu erreichen, werden in der MRT sehr starke Magnetfelder eingesetzt. Jedoch sind die magnetischen Momente der Kernspins trotz dieser hohen Magnetfeldstärken fast zufällig verteilt und weisen nur eine geringe effektive Magnetisierung auf. Die Technik der Hyperpolarisation ermöglicht es nun, die effektive Magnetisierung der Kernspins zusätzlich um einen Faktor 10.000 bis 100.000 zu verbessern und damit die Sensitivität der MRT deutlich zu erhöhen.

Hyperpolarisation diagnostisch relevanter Stoffwechsel-Moleküle

Allerdings ist es in der Praxis schwierig, die Atomkerne der gewünschten Stoffwechsel-Moleküle in einen hyperpolarisierten Zustand zu bringen. Die Forschenden verwenden daher einen Zwischenschritt: Sie gehen von einem besonderen magnetischen Zustand des Wasserstoffs aus, dem sogenannten Parawasserstoff. Dieser kann mit bekannten Methoden bei tiefen Temperaturen mit flüssigem Stickstoff erzeugt und in Gasflaschen gelagert werden.

Die Eigenschaften des Parawasserstoffs beruhen wiederum auf den Gesetzen der Quantenmechanik. Während Parawasserstoff selbst magnetisch abgeschirmt und mit Magnetresonanzmethoden nicht messbar ist, kann seine Spin-Ordnung genutzt werden, um andere Atomkerne zu hyperpolarisieren und diese im MRT besser sichtbar machen.

Die Forschenden hyperpolarisieren damit Moleküle, die zum Untersuchen der Stoffwechselprozesse wichtig sind. Besonders geeignet für diagnostische Zwecke ist beispielsweise Pyruvat, ein Stoffwechselprodukt, das von Tumoren verstärkt zu Milchsäure verarbeitet wird. Im Hyperpolarisator docken die Forschenden Parawasserstoff an Pyruvat an und nutzen seine Spin-Ordnung, um in einem Magnetfeld mit Hilfe von Radiowellen ein Kohlenstoffatom des Pyruvats zu hyperpolarisieren. So ist das Signal von Pyruvat im MRT verstärkt und der entsprechende Stoffwechselvorgang kann zeitlich aufgelöst sichtbar gemacht werden.

Projektpartner haben bereits funktionsfähige Prototypen des Hyperpolarisators entwickelt. Im Projekt QuE-MRT arbeiten nun Forschende, Ärzt:innen, Industriepartner und Entwickler:innen aus Medizin, Physik, Chemie und dem Ingenieurwesen eng zusammen, um diese so weit zu optimieren, dass der Hyperpolarisator großflächig klinisch zum Einsatz kommen kann. Zudem plant das Projektteam, die damit mögliche nicht-invasive und nicht-radioaktive Technologie in ersten klinischen Studien für die Diagnostik von Krebserkrankungen zu validieren.
 

Mehr Informationen:

• Beteiligt von der TUM sind das Department of Chemistry und das Klinikum rechts der Isar mit der Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin, dem Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie, der Klinik und Poliklinik für Innere Medizin II, und der Urologischen Klinik und Poliklinik.
   
• Prof. Franz Schilling, Teilprojektleiter bei QuE-MRT, und Principal Investigator Prof. Wolfgang Weber sind zudem Forschende am Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE). Das MIBE ist ein Integrative Research Institute der Technischen Universität München (TUM), das interdisziplinäre Zusammenarbeit und Synergien zwischen Forschenden aus dem weiten Feld des Biomedical Engineering fördert. Am MIBE entwickeln und verbessern Forschende aus der Medizin, den Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften gemeinsam Verfahren zur Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Die Aktivitäten reichen dabei von der Untersuchung grundlegender wissenschaftlicher Prinzipien bis zu deren Anwendung in medizinischen Geräten, Medikamenten oder Computerprogrammen. www.bioengineering.tum.de
   
• Projektpartner: NVision Imaging Technologies GmbH, Ulm; Universitätsklinikum Ulm, Klinik für Innere Medizin II, Ulm; Universität Ulm, Institut für Organische Chemie I, Ulm; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Universitätsklinikum, Klinik für diagnostische und interventionelle Radiologie, Freiburg im Breisgau; Technische Universität München, Department of Chemistry, Garching; Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München, Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin, München
  Assoziierte Partner: RAPID Biomedical GmbH, Rimpar; Siemens Healthcare GmbH, Erlangen; Qruise GmbH, Saarbrücken
   
• QuE-MRT ist eines von vier neuen Projekten, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenprogramm „Quantentechnologien – Von den Grundlagen zum Markt“ fördert. https://www.quantentechnologien.de/artikel/neue-projekte-im-september-2.html
   
• QuE-MRT Projektbeschreibung und Projektsteckbrief: https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/leuchtturmprojekte-der-quantenbasierten-messtechnik/que-mrt.html