Medizinische Bildgebung

Transportable MRTs für die schnelle Diagnose von Hirnverletzungen

zwei American-Football-Teams stehen sich in gebückter Haltung an der "Line of Scrimmage" gegenüber
Quelle: © nyul - Fotolia.com

Wer beim Fußball oder Boxen einen Schlag auf den Kopf bekommt, kann auch noch lange Zeit danach Schäden davontragen. Mit Hilfe eines kleineren, transportablen Magnetresonanz-Tomographen, der auch freie Radikale im Gehirn erkennt, sollen selbst unscheinbare Verletzungen diagnostiziert werden. Die Football-Liga in den USA zeigt bereits Interesse.

Als im Endspiel der Fußballweltmeisterschaft der deutsche Spieler Christoph Kramer nach einem Bodycheck bewusstlos zu Boden ging, wäre ein Gerät hilfreich gewesen, wie es der Physiker Matthew Rosen derzeit entwickelt: Einen transportablen Magnetresonanz-Tomographen (MRT), der gefährliche Hirnverletzungen über den Nachweis so genannter freier Radikale mittels Elektronenspinresonanz aufspürt (ESR, englisch electron paramagnetic resonance, EPR).

Bei Verletzungen im Gewebe entstehen während des Entzündungsprozesses in der Regel freie Radikale. Diese besonders reaktionsfreudigen Moleküle können im Gehirn nachhaltigen Schaden in den Nervenzellen verursachen. Schon länger versuchen Forscher deshalb, diese Radikale aufzuspüren und abzubilden. Auf diesem Wege könnten Hirnverletzungen schon erkannt werden, lange bevor gefährliche Blutergüsse oder andere morphologische Auffälligkeiten im MRT-Bild sichtbar werden. Matthew Rosen vom A.A. Martinos Center for Biomedical Imaging des Bostoner Massachusetts General Hospital hat nun die MRT-Technik so weiterentwickeln können, dass er Radikale im Gehirn von Ratten nachweisen kann, die er zuvor in den Blutkreislauf gespritzt hat [2].

„Wir haben die Geschwindigkeit und die Effizienz der Methode verbessert, so dass sie das Potenzial hat, auch bei Menschen eingesetzt zu werden“, sagt Rosen. Bislang hat Rosen die Technik allerdings nur an Ratten ausprobiert. Und er hat auch nicht die Radikale nachgewiesen, die bei einer Hirnverletzung entstehen, sondern den Tieren besonders stabile freie Radikale gespritzt und sie als Nachweismoleküle verwendet.

Foto einer Kunststoffröhre mit integrierten Spulen für die NMR- und die EPR-Messung

Das neu entwickelte MRT mit der NMR- und der EPR-Einheit.

Quelle: © Matthew Rosen/A.A. Martinos Center for Biomedical Imaging

Verletzungen der Blut-Hirn-Schranke

„Es wäre eine Goldmedaille wert, wenn wir es schaffen könnten, die vom Gewebe natürlicherweise produzierten freien Radikale im Menschen messen zu können“, sagt Rosen. So könnten auch die Wirkungen der Radikale auf zelluläre Prozesse besser verstanden werden. Seit Jahren tüfteln Physiker und Ingenieure deshalb an einer Technik, mit der sich diese Moleküle darstellen lassen. Der einzige, dem es bisher gelang, Radikale per MRT abzubilden, war David Lurie von der University of Aberdeen – allerdings starben die Versuchstiere während der Tests, weil die Prozedur (Overhauser-MRT genannt) zu lange dauerte und zu viel elektromagnetische Energie benötigte, so dass sich das Gewebe zu stark erwärmte.

Deshalb versuchte Rosen mit seiner neuen Technik (siehe "Hintergrundinformationen" am Ende des Texte) zunächst etwas Einfacheres und injizierte die Radikale in den Blutkreislauf der Versuchstiere. „Damit lassen sich bereits interessante Informationen über die Blut-Hirn-Schranke und die Redox-Fähigkeiten des Gewebes erfahren.“ Die Blut-Hirn-Schranke, bei der Blutgefäßzellen so eng miteinander verbunden sind, dass sie das Gehirn hermetisch vom Blutkreislauf abschirmen, wird bei Verletzungen durchlässig für die Radikale. Und wenn die Radikale nur sehr langsam abgebaut werden, sagt das etwas über den Zustand des Gewebes aus. „Freie Radikale sind kleiner als normale Tracer“, sagt Rosen. „Dadurch können wir auch feinste Verletzungen der Blut-Hirn-Schranke erkennen und frühzeitig Alarm schlagen.“

Potenzial für Forschung

Für die Diagnose und Therapie könnte das erhebliche Vorteile haben. Wenn Ärzte solche feinen Verletzungen erkennen können, dann können sie Patienten mit Schädelhirntrauma unterteilen in eine Gruppe mit und eine ohne Verletzungen der Blut-Hirn-Schranke – und entsprechend therapieren. Auch für die Erforschung von Hirnerkrankungen könnte die Methode neue Möglichkeiten eröffnen: „Eine Entstehungstheorie von Schizophrenie ist, dass sie mit oxidativem Stress, also zu vielen Radikalen in einer bestimmten Hirnregion während der Kindheit zusammenhängt“, sagt Rosen. Bislang lässt sich das nicht überprüfen.

Sollte Rosen die Technik tatsächlich soweit entwickeln können, dass sich damit auch geringe Mengen von freien Radikalen im Körper abbilden lassen, dann könnten viele Theorien über deren Wirkungen mit Messungen überprüft werden. „Es gibt endlos viele Veröffentlichungen und Vermutungen über die Wirkung von Radikalen im Körper“, sagt Rosen, „doch wer fragt, ob es dafür Daten gibt, bekommt oft ‚nein’ als Antwort, denn bislang kann nur nach dem Tod gemessen werden.“

Wie geringe Konzentrationen von freien Radikalen sich mit Rosens Technik darstellen lassen, ist noch offen. „Das müssen wir erst noch testen“, sagt der Physiker. „Die Sensitivität ist vermutlich in der richtigen Größenordnung, um die Effekte der Radikale zu sehen.“

Zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der Diagnostik

Obwohl noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten ist, besteht bereits Interesse an Rosens MRT-Technik. „Die Vision ist, dass jemand, der beim Militär, beim Fallen von der Leiter oder beim Sport Verdacht auf ein leichtes Schädelhirntrauma hat, ein paar Mal nach dem Vorfall gescannt und die Konzentration seiner freien Radikale im Gehirn überprüft wird“, sagt Rosen. Das sei nur möglich, wenn diese Scanner deutlich günstiger als 100.000 Dollar sind und überall vorhanden – sei es in Pflegeheimen oder Fußballstadien.

Tatsächlich finanziert das US-Verteidigungsministerium Rosens Entwicklung bereits. Auch weil die Armee leichte, kleine und transportable MRTs braucht, die sich in einem Krankenwagen oder Hubschrauber einbauen lassen und vor Ort einsetzbar sind. Das geht nur mit Scannern, die geringere Magnetfeldstärken produzieren, als ein vollausgestattetes MRT mit 1,5 oder 3 Tesla Magnetfeldstärke. „Aber das geht Hand in Hand mit unserer Technik zum Nachweis freier Radikale, denn dafür brauchen wir nur Magnetfelder geringer Feldstärke“, sagt Rosen.

Auch zivile Anwendungsmöglichkeiten zeichnen sich bereits ab. „Wir sind bei der National Football League (NFL) in der letzten Auswahlrunde, um günstige, leichte und transportable MRT-Scanner mit der Fähigkeit, freie Radikale nachzuweisen, für Football-Stadien zu entwickeln.“ Denn seit bei vielen Spielern des Amerikanischen Nationalsports Hirnverletzungen festgestellt wurden und Eltern ihren Kindern andere Sportarten nahelegen, hat die Liga rund 100 Millionen Dollar für die Entwicklung praktikablerer Diagnosetechniken ausgeschrieben. Wird es also ein langhaariger, bebrillter „Nerd“ sein, der den amerikanischen Volkssport rettet? Rosen lacht: „Nein, hier an der Harvard University gibt es ja auch gar keine Nerds!“

Hintergrundinformationen: Kombination zweier Techniken

Die gängige Magnetresonanz-Tomographie basiert auf der Kernspinresonanz (englisch nuclear magnetic resonance, NMR) und funktioniert, indem zunächst ein starkes Magnetfeld den Spin, die Kreiselbewegung von Protonen in einem Patienten wie Eisenspäne in eine Richtung zwingt. Ein Impuls von Radiowellen einer bestimmten Frequenz bringen dann den Kreisel gewissermaßen ins Trudeln, sobald das Radiosignal aber abgeschaltet wird, fallen die Atome wieder in die alte Position zurück – und geben dabei einen messbaren Energieimpuls ab, aus dem letztlich das MRT-Bild zusammengesetzt wird.

Um jedoch freie Radikale mit ihrem charakteristischen einzelnen Elektron messen zu können, braucht es einen elektromagnetischen Impuls in der Frequenz der Elektronen, den „Electron Saturation Pulse“, ESP. Da das in normalen Scannern aber in etwa der Frequenz von Mikrowellen entspricht, würden Versuchstiere oder Patienten dabei gekocht. „Das ist der Grund, warum wir Magnetfelder geringer Stärke verwenden, 500 mal kleiner als ein üblicher klinischer Scanner mit 3 Tesla Magnetfeldstärke“, sagt Rosen. Dadurch sinkt nicht nur die MRT-Frequenz auf wenige hundert Kilohertz anstelle von einigen Hundert Megahertz, es verändert sich auch die für den Radikal-Nachweis nötige Frequenz des ESP auf etwa 100 Megahertz. „Das bedeutet, dass es keine Mikrowellenfrequenz ist und sicher für den Körper“, sagt Rosen. Dennoch muss man vorsichtig sein. Der britische Forscher David Lurie verwendete in ähnlichen Experimenten sehr lange ESP von mehreren Sekunden, wodurch sich das Gewebe erhitzt. „Unsere ESP dauern nur 6 Millisekunden“, sagt Rosen. „Dadurch gibt es kaum eine Erwärmung des Gewebes.“

Rosens Technik, bei der sich reguläre MRT-Bilder und ESP-Impulse für den Radikal-Nachweis abwechseln, erlaubt den Nachweis von freien Radikalen bis zu einer Konzentration von 10 Millimol. „Doch theoretisch sollten wir noch viel geringere Konzentrationen abbilden können.“

Originalliteratur:

  • [1] M. Sarracanie, B.D. Armstrong, J. Stockmann, M.S. Rosen; High Speed 3D Overhauser-Enhanced MRI Using Combined b-SSFP and Compressed Sensing; Magnetic Resonance in Medicine, 71:735–745 (2014). PDF der Veröffentlichung
  • [2] M.S. Rosen, M. Sarracanie, B.D. Armstrong, F. Herisson, N. Salameh, C. Ayata; Overhauser-enhanced MRI as a non invasive probe of BBB breakdown and redox state following ischemia/reperfusion, 55th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference 2014, Session Paper (PDF)

Weiterführende Informationen im Internet:

© medizintechnologie.de/sk

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