Niendorf and Ugurbil

8. UHF-MR Symposium: Treffpunkt Mesosphäre

Eine neue Gerätegeneration in der MRT lässt Forscher Lebensprozesse beobachten, von deren Verständnis der biomedizinische Fortschritt wesentlich abhängt. Die Technologie zieht auch zahlreiche wissenschaftliche Nachwuchstalente an, die sich für das Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen Physik, Biologie und Medizin begeistern. Ein Bericht vom 8. Symposium zur Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographie, das im Juni am Max-Delbrück-Centrum stattfand.

 

Die Teilnehmer des MRI Symposiums im MDC Communications Center. Foto: Niendorf Lab, MDC

Viele Details des Lebens liegen außerhalb der heutigen bildgebenden Verfahren in der biomedizinischen Forschung. In der Magnetresonanz-Bildgebung spricht man oft von der „Mesosphäre“, einer „Lücke in der Auflösung“ zwischen einzelnen Zellen und Geweben bzw. Organen. In diesem Bereich finden Prozesse statt, die für die Entwicklung einiger Krankheiten von größter Bedeutung sind. Auch deshalb lassen sich Laborerkenntnisse häufig nur schwer in klinische Anwendungen übersetzen. Die Auswirkungen von Molekülen in den Zellen auf den Organismus lassen sich häufig nicht so einfach abschätzen.

Die Mesosphäre war ein Hauptthema beim 8. jährlichen Symposium zu Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomografie (UHF-MRT). Dieses Jahr fand das Treffen unter dem Motto „Clinical Needs, Research Promises and Technical Solutions“ – klinische Anforderungen, Forschungsversprechen und technische Lösungen – am Campus Berlin-Buch des Max-Delbrück-Centrums statt. MRT ist schon lange ein wichtiges Werkzeug der klinischen Diagnostik, doch indem sie sich der Mesosphäre immer weiter annähert, wird sie auch immer interessanter für die Forschung – und als Brückentechnologie genutzt. Mit Hilfe von einer neuen Generation extrem leistungsstarker Magneten, maßgeschneiderten Radiofrequenz-Spulen sowie anderen Entwicklungen kann sie mittlerweile immer feinere  Details sichtbar machen. Die Auflösung von MRT wird in Voxeln gemessen. Diese ähneln den Pixeln, die man von Kameras und Flachbildschirmen kennt, bezeichnen jedoch Gitterpunkte in einer dreidimensionalen Darstellung.

Zukunftsweisende Keynote

Auch der Hauptredner, der MRT-Experte Professor Kamil Ugurbil von der University of Minnesota, erwähnte die Voxel in seiner Keynote: „Es wäre sehr viel gewonnen, wenn wir die Auflösung unserer Voxel um eine Größenordnung steigern könnten“, so Prof. Ugurbil. Zur Veranschaulichung stellte er das US-amerikanische Großforschungsprojekt BRAIN Initiative vor. Das Projekt soll sämtliche Skalen des Hirns erfassen und verknüpfen und so die Hirnfunktionen beschreiben. Hierdurch würde die Lücke zwischen den Synapsen als „Grundeinheiten“ der Hirnfunktion und dem riesigen Konnektom – der Gesamtheit der Nervenverbindungen – geschlossen. Das Projekt will die lokalen und übergeordneten Netzwerke aus Nervenverbindungen ebenso erfassen wie die Verbindungen zwischen größeren Hirnregionen und die Art und Weise, wie sich funktionale Verbindungen bei bestimmten Verhaltensweisen verändern.

„Die Hirnscanner, die heute in Kliniken und vielen Forschungseinrichtungen stehen,  besitzen eine magnetische Feldstärke von drei Tesla“, so Prof. Ugurbil. „Ein einziges Voxel ist bei diesen Geräten so groß, dass es Hunderttausende Nerven umfasst. Mit unseren moderneren und mit sieben Tesla sehr viel leistungsfähigeren Geräten, darunter auch der Humanscanner hier auf dem Campus, können wir das Voxel auf bis zu 0,5 Mikroliter verfeinern. Doch selbst wenn wir noch weiter – bis auf 0,1 Mikroliter – hineinzoomen, sind wir noch nicht bei der Auflösung einzelner Zellen angelangt. Wir können dann jedoch einige Tausend Nervenzellen beobachten, und das entspricht der Ebene neuronaler Netze, die funktionale Berechnungen im Gehirn ausführen.“

Darstellungen auf Zehntelmikroliter-Ebene würden es Prof. Ugurbil zufolge erlauben, Strukturen wie die Lamina und die „Nervensäulen“ des menschlichen Gehörsystems darzustellen. Im zweiten Teil seiner Rede umriss Prof. Ugurbil die erforderlichen Schritte zu diesem Ziel. So bedarf es nicht nur sehr viel größerer Magneten mit Feldstärken von 10,5 Tesla aufwärts, sondern auch zahlreiche technologischen Entwicklungen: neue Arten von Radiofrequenz-Spulen, die das Magnetfeld zur Bilderzeugung justieren, neue Methoden zur Verringerung des Bildrauschens und schnellere Verfahren zur Erfassung und Analyse der beim Scan erzeugten Daten. Eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit würde den Forschern erlauben, mehr Prozesse des Lebens in Echtzeit genauer zu betrachten, und so bisher unerreichte Einblicke in gesunde oder pathologische Organfunktionen ermöglichen. Die heutigen Magnetresonanz-Tomografie regt üblicherweise Wasserstoffkerne an. Darüber hinaus noch weitere Atomkerne zu beobachten, wäre ein riesiger Fortschritt. Hierdurch ließen sich neue Dimensionen der Gewebe- und Organbiologie auf direkte, nicht-invasive Weise untersuchen.

„Eine Kombination aller dieser Faktoren sollte uns um die Größenordnung weiterbringen, die wir uns erhoffen“, erklärte Prof. Ugurbil. „Angesichts der Magneten mit Feldstärken von 20 Tesla und mehr, die bereits heute hergestellt und eingesetzt werden, sollte das möglich sein.“

Neue Einblicke in Organe und Prozesse

 

Prof. Dr. Thoralf Niendorf mit Kalim Ugurbil. Foto: Niendorf Lab, MDC

Die Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographie erlaubt die Untersuchung etwa von Natrium und Fluorid – Elemente, die bei Krankheitsprozessen in zahlreichen Organen und Geweben eine wichtige Rolle spielen. Natrium-Bildgebung bietet Forschern neue Einblicke in Strukturen im menschlichen Auge und liefert beispielsweise präzisere Bilder von Tumoren des Sehnervs. Diese sind unter anderem bei der Planung von Operationen und der Überprüfung von Therapieerfolgen eine enorme Hilfe. Dr. Katharina Paul aus der Forschungsgruppe von Prof. Thoralf Niendorf berichtete von der Arbeit des Teams, welches das Bildrauschen und die geometrischen Verzerrungen bei MRT-Bildern des Auges eliminieren will.

Auch für Herzfunktionen spielt Natrium eine wesentliche Rolle und durch Natrium-Bildgebing werden erstaunlich detailreiche Abbildungen vom schlagenden Herzen lebender Tiere möglich. Solche Bilder spielen eine zentrale Rolle bei der Untersuchung von strukturellen Herzfehlern und Durchblutungsstörungen, die bei einer Reihe kardiovaskulärer Erkrankungen auftreten. Dr. Julie Magat von der Universität Bordeaux erklärte in ihrem Beitrag, dass die Arbeit der Forscher Zusammenhänge zwischen strukturellen und elektrischen Daten aufzuzeigen verspricht, die ihrerseits Zusammenhänge zwischen Arrhythmie und strukturellen Veränderungen des Herzmuskels erkennen lassen. „Diese Daten können außerdem Grundlage für einen Bildatlas der Herzkrankheiten sein und in Computersimulationen eingebunden werden, sodass wir bessere Modelle der elektrischen Übertragung im Herzen erstellen können“, sagte Dr. Magat.

Dr. Sonia Waiczies, ebenfalls Mitglied der Forschungsgruppe von Prof. Niendorf, stellte die Arbeit des Teams im Bereich der Fluor-basierten Magnetresonanz-Tomographie vor, die die Diagnose und Therapie von Arthritis erleichtern würde. In einem Tiermodell der rheumatoiden Arthritis injizieren die Forscher PFC-Partikel als Fluorträger in die Gelenke, wo sie von den Immunzellen aufgenommen werden und damit die Ausbreitung von Entzündungen nachvollziehbar machen. Der Vorteil der Methode: im Körper gibt es keine natürlichen Fluorsignale. Allerdings sind sie nur sehr schwach, und für ihre Detektion sind sehr starke Magneten nötig. Dr. Waiczies wird im Herbst als Stipendiatin nach Tallahassee (Florida) reisen und dort Tests mit den ersten 21-Tesla-Tierscannern durchführen. Die bundesstaatliche Einrichtung in Florida unterstützt internationale Forschungskooperationen und ermöglicht es der Wissenschaftlerin, an dem Fluor-Projekt zu arbeiten.

Die Doktorandin Teresa Serradas Duarte, die vor kurzem Ihre Masterarbeit als Mitglied von Prof. Niendorfs Forschungsteam abgeschlossen hat, berichtete von ihren Erfahrungen mit dem 16,4-Tesla-MRT, mit dem sie im Champalimaud Center for the Unknown in Lissabon Hirn- und Rückenmarkstomographien erstellen konnte. Die Fortschritte im Bereich der Ultrahochfrequenz-Magnetresonanz-Tomographie lassen auch bei diesen Organen immer detailreichere Auflösungen der Mesosphäre zu. Prof. Niendorf ist stolz, dass sie zurück am MDC ist – un besonders, dass sie als Vortragende auftritt.

„Das ist eine große Leistung für eine Doktorandin im ersten Jahr ihrer Arbeit“, sagt er. „Einige werden sich an sie erinnern, als sie 2015 als Master-Studentin in einer Power-Poster-Session vorstellte.“ Bei den Power-Poster-Sessions könnten Nachwuchswissenschaftler hervorragend lernen, ihre Arbeit in kürzester Zeit zusammenzufassen, sagt Prof. Niendorf. „Die Sessions ziehen dadurch mehr Zuschauer an und führen zu längeren Gesprächen.“

Neue Spulen – neue Fragen

 

Das Symposium endete erfolgreich mit einer Abendveranstaltung. Foto: Niendorf Lab, MDC

Zu den Vortragenden auf dem Symposium zählten noch weitere Mitglieder von Prof. Niendorfs Forschungsteam an der Berlin Ultrahigh Field Facility (BUFF) auf dem Campus Buch. Dr. Henning Reimann sprach über die Frage „How much pain is in BOLD MR“ – „Wie viel Schmerz steckt in BOLD-Kontrast-MRT?“. Der Forscher beschäftigt sich mit einer Grundannahme der funktionalen MRT: Dass zwischen der Aktivität von der Nervenzellen und dem Sauerstoffgehalt der roten Blutkörperchen ein direkter Zusammenhang besteht. Aktive Neuronen brauchen zwar tatsächlich mehr Energie und daher eine vermehrte Blutzufuhr. Eine Alternative Erklärung ist aber, dass das Gehirn den Blutdruck nicht in allen Hirnregionen gleichbleibend stabil halten kann. So kann bei starken Reizen wie Schmerz der Blutdruck plötzlich ansteigen und der Spiegel von sauerstoffhaltigem Blut steigt in bestimmten Gehirnregionen. Diese Regionen sind fast deckungsgleich mit Regionen, die als „Schmerzmatrix“ bezeichnet wurden. Dr. Reimann zufolge handelt es sich dabei eher um Regionen, die am stärksten durch Blutdruckveränderungen als unmittelbare Reaktion auf starke Reize beeinflusst werden.

Die Doktorandin Eva Oberacker, auch sie Mitglied von Prof. Niendorfs Forschungsgruppe, erläuterte, wie das Team sich die thermischen Effekte der MRT zunutze macht und die Gewebetemperatur bei lebendigen Organismen ganz gezielt steuert. Die Forscher möchten herausfinden, wie Prozesse in krankem und gesundem Gewebe jeweils auf Temperatursteigerungen reagieren. Sie wollen die gezielte Wärmeerzeugung für diagnostische und therapeutische Zwecke nutzbar machen. Finanziert wird das Projekt aus Mitteln des Advanced ERC Grant, den Prof. Niendorf kürzlich erhalten hat.

Um das Thema Temperatur ging es auch in einer weiteren Power-Poster-Session: Forschungsteam-Mitglied Yiyi Ji sprach über ihre Arbeit mit thermoresponsiven Polymeren. Medikamente und andere Stoffe können an künstliche Sonden gebunden in den Körper eingeführt werden. Die Sonden bleiben dort so lange inaktiv, bis das Magnetfeld und die Radiofrequenzen des MRT sie erhitzen, woraufhin sie die Stoffe in genau steuerbaren Stufen abgeben. Damit wären sie ein potenziell neuartiges medizinisches Produkt.

Nicht zu vergessen

„Ein Faktor, der dieses Symposium schon seit Jahren so erfolgreich macht, ist sein vollkommen offenes Format“, so Prof. Niendorf. „Dass es keine Teilnehmergebühr gibt, macht die Veranstaltung für Experten aus den verschiedensten Forschungsbereichen attraktiv, die für die Weiterentwicklung der klinischen und wissenschaftlichen Anwendbarkeit von MRT wichtig sind. Möglich ist dies unter anderem dank der kontinuierlichen Unterstützung durch die DFG , die extrem viel zum Erfolg des Symposiums beiträgt. Obwohl es nicht ganz leicht ist, DFG-Mittel für Veranstaltungen dieser Art zu erhalten, unterstützt die DFG nicht nur dieses Symposium, sondern auch ein zweites zum Thema MRT der Nieren, das im Herbst stattfinden wird.“

Das Interesse der DFG ist auch darauf zurückzuführen, so Prof. Niendorf, dass das Symposium Teil einer Veranstaltungsreihe ist und auch über den Kreis „üblichen Verdächtigen“ bei derartigen Treffen hinaus wissenschaftliche Teilnehmer anzieht. „Bei großen Konferenzen kenne ich oft etwa 80 Prozent der Teilnehmer“, so Prof. Niendorf. „Bei diesem Symposium sind es meisten zwischen zehn und zwanzig Prozent. Der Rest sind Vertreter der großen Community von Nachwuchswissenschaftlern aus unterschiedlichen Bereichen. Und die Vortragenden haben sich wirklich ins Zeug gelegt, um ihre Arbeit thematisch passend zu präsentieren. Alles war sehr praxisbezogen und zukunftsgerichtet, von Prof. Ugurbils hervorragendem Überblick über das Feld bis zum Vortrag über MRT-Sicherheit.“

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