Magnetpartikel-Bildgebung im Süddeutschen Zentrum für innovative Bildgebung
Im neuen Zentrum wird die Magnetpartikel-Bildgebung aus der präklinischen Forschung in die medizinische Anwendung gebracht.
Prof. Volker Behr, Experimentelle Physik 5, Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Würzburg
Magnetpartikel-Bildgebung (engl. „Magnetic Particle Imaging“, MPI) ist ein neuartiges Verfahren, mit dem man magnetische Nanopartikel im Körper sehr präzise sichtbar machen kann – in Echtzeit, mit hoher räumlicher Auflösung und ohne den Einsatz von Röntgenstrahlung. Dadurch eignet sich MPI besonders gut für Anwendungen in der Medizin, zum Beispiel zur Untersuchung des Herz-Kreislauf-Systems, zur Überwachung interventioneller Eingriffe oder zur Verfolgung von Zellen oder Pharmazeutika im Körper.
Beim MPI handelt es sich um ein Markerverfahren. Das heißt, dass nicht, wie beispielsweise bei der MRT oder CT direkt das untersuchte Gewebe abgebildet wird, sondern die Verteilung einer Markersubstanz. Dies ist ähnlich wie beispielsweise bei der PET, bei der ein radioaktiver Marker detektiert wird. Allerdings kommt das MPI ohne strahlende Substanzen aus und detektiert sehr kleine Eisenoxidpartikel, magnetische Nanopartikel (MNPs). Damit ist MPI wie alle Markerverfahren sehr spezifisch, da eben nur die Marker detektiert werden, benötigt aber oft ein komplementäres gewebeabbildendes Verfahren, um die Position der Marker sicher verorten zu können.
Wie funktioniert eigentlich Magnetpartikel-Bildgebung?
Das Messsignal entsteht dabei dadurch, dass die Probe einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird. Sind keine MNPs vorhanden, detektiert eine Empfangsspule allein das angelegte Wechselfeld. Sind jedoch MNPs vorhanden, so wird deren Magnetisierung durch das Wechselfeld angeregt und sie erzeugen selbst wieder ein Magnetfeld – in diesem sind jedoch nicht nur das ursprüngliche Feld, sondern auch ganzzahlige Vielfache davon enthalten, höhere Harmonische. Diese stellen das Signal dar und sind abhängig sowohl von den verwendeten MNPs selbst, als auch von deren Umgebung – beispielsweise, ob diese an andere Substanzen gebunden sind oder nicht.
Für den finalen Schritt zur Ortsauflösung zu gehen, wird die gesamte Probe einem weiteren, starken Magnetfeld ausgesetzt, das so beschaffen ist, dass es an genau einem Ort verschwindet und überall sonst möglichst stark ist. Hierdurch werden, bis auf an dem einen Ort, alle MNPs „gesättigt“, d.h., ihre Magnetisierung ist komplett entlang des starken Feldes ausgerichtet und kann dem schwächeren magnetischen Wechselfeld nicht folgen – diese MNPs erzeugen dann also kein Signal. Im Umkehrschuss weiß man damit aber, dass jedes Signal, das detektiert wird, aus dem Bereich stammen muss, an dem in dem Moment kein starkes Feld anliegt und kann somit dem Signal einen Ort zuordnen.
Innovative Ausstattung für Spitzenforschung
Bislang kommt MPI vor allem in der Forschung in präklinischen Studien zum Einsatz. Die Herausforderung des Schrittes hin zur Nutzung am Menschen soll künftig das Süddeutsche Forschungszentrum für Magnetpartikel-Bildgebung (SMPI) in Würzburg angehen, einem in Deutschland einzigartigen Forschungsstandort. Den Aufbau des neuen Zentrums fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 3,1 Mio. Euro. Das Zentrum soll voraussichtlich 2027 in Betrieb gehen. Hier werden alle Entwicklungsstufen abdeckt – von (präklinischen) Grundlagenversuchen bis hin zu experimentellen, kliniknahen Untersuchungen. Um den Entwicklungsprozess abdecken zu können, haben wir für das Zentrum als erste Ausstattung drei sich ergänzende MPI-Geräte erhalten.
Dazu gehört ein MPI-Tomograph für den Einsatz in präklinischen Fragestellungen. Mit diesem Gerät können z.B. Mäuse und Ratten untersucht werden. Dieses System dient als Standard-Plattform, um neue Messverfahren und Kontrastmittel (Tracer) zu testen und auch, um Anwendungen in präklinischen Tests zu erproben und zu verifizieren.
Der zweite MPI-Tomograph hat einen größeren Innendurchmesser. Dieses speziell entwickelte Gerät, das weltweit das erste kommerzielle System mit einem Bohrungsdurchmesser von mindestens 30 Zentimetern sein wird, erlaubt Untersuchungen an größeren Tieren. Perspektivisch werden jedoch auch Untersuchungen an Gliedmaßen von Menschen möglich sein, wenn entsprechende Zulassungsprozesse abgeschlossen sind. Es stellt einen wichtigen Zwischenschritt dar, um die Anforderungen künftiger Human-MPI-Systeme besser zu verstehen.
Beim dritten Gerät handelt es sich um ein hochpräzises MPI-Spektroskopie-System. Damit lassen sich neue Nanopartikel im Detail charakterisieren, etwa hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften, Empfindlichkeit und Stabilität. Dies ist wichtig, um geeignete Markersubstanzen für das MPI zu entwickeln, um optimale Bildqualität und Ortsauflösung erreichen zu können.
Das Forschungsumfeld in Würzburg
Die Universität Würzburg und das Universitätsklinikum Würzburg sind bereits seit vielen Jahren gemeinsam in der MPI-Bildgebung aktiv. Schon 2008 begann an der Experimentellen Physik 5 die Entwicklung eigener MPI-Geräte. Daraus entstand unter anderem der sogenannte Traveling-Wave-MPI-Scanner – ein völlig neuer Gerätetyp, der bis heute weiterentwickelt wird und auf dessen Grundlage auch die beiden neuen Tomographen basieren.
Ebenfalls wurden in Würzburg die weltweit ersten hybriden MPI-Systeme gezeigt, die MPI in einem Gerät mit Magnetresonanztomographie (MRT) oder Computertomographie (CT) vereinen. Dies bietet die Möglichkeit, zu den MPI-Bildern mit der jeweils anderen Methode anatomische Hintergrundaufnahmen zu erstellen und diese zu überlagern, um die Nanopartikel direkt exakt verorten zu können. Die Entwicklung an MPI-CT-Systemen wurde auch dahin weitergeführt, dass erste Experimentalstudien bei gleichzeitigem Einsatz einer CT-Angiographie und einer MPI-Bildgebung im klinischen Umfeld durchgeführt werden konnten.
In Würzburg arbeiten Physik, Medizin, Chemie und Mathematik eng zusammen – von der Entwicklung neuer Scanner über Computerberechnungen und die Herstellung neuer magnetischer Nanopartikel bis hin zur Bearbeitung medizinischer Fragestellungen.
Gefäßaufweitung (PTA) und Stent-Kontrolle
In enger Kollaboration mit der Gruppe von Prof. Thorsten Bley aus der Diagnostischen und Interventionellen Radiologie des Uniklinikums Würzburg wurde die interventionelle Platzierung eines Stents in einem Gefäßmodell nach vorheriger Gefäßaufweitung an einer künstlichen Stenose gezeigt. Solche Interventionen erfolgen normalerweise unter ständiger Röntgenangiographie, um die Positionen von Kathetern und Stents zu überwachen. Hier wurde die permanente Überwachung von einer MPI-Apparatur übernommen, wodurch nur noch jeweils ein Röntgenbild am Anfang und am Ende zur Kontrolle erforderlich waren. Somit konnte die Gesamtexposition an Röntgenstrahlung sowohl beim Patienten als auch beim medizinischen Personal gesenkt werden.
Entwicklung eines mobilen Schlaganfall-MPI
In einem anderen Projekt, der „StrokeCap“, wird derzeit gemeinsam mit der Gruppe von Prof. Mirko Pham aus der Diagnostischen und Interventionellen Neuroradiologie am Uniklinikum Würzburg an einem strahlungsfreien, mobilen MPI-System gearbeitet, das als tragbares Gerät z.B. in Rettungswagen mitgeführt werden und vor Ort beim Patienten eine verlässliche Einschätzung über das Vorliegen eines Schlaganfalls liefern kann. Wie das EKG bei einem Herzinfarkt sorgt die StrokeCap dafür, dass Patienten mit einem Schlaganfall sofort in das richtige Krankenhaus für eine Weiterbehandlung gebracht werden können und somit unnötige Transportzeiten vermieden werden. Je früher Betroffene therapiert werden, desto seltener leiden sie an schweren Folgeschäden.
Antikörper in Sekundenschnelle nachgewiesen
Das neue ultraschnelle spektroskopische Verfahren COMPASS erlaubt es außerdem, in kürzester Zeit einen Nachweis auf Antikörper in einer Probe durchzuführen. Hiermit wurde gemeinsam mit Prof. Christoph Alexious, Leiter der SEON-Gruppe am Uniklinikum Erlangen, beispielsweise SARS CoV-2 innerhalb von Sekunden hochempfindlich nachgewiesen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MPI eine neuartige Markertechnik darstellt, die das Potenzial hat, die bestehende klinische diagnostische und bildgebende Infrastruktur zu ergänzen und in bestimmten Bereichen deutliche Verbesserungen zu erzielen. Wichtig hierfür ist die Translation der Technik in Klinik, was das SMPI sich als großes Ziel auf die Fahnen schreibt.
