Dynamische Kernpolarisation: Wie eine Technik aus der Teilchenphysik die medizinische Bildgebung verändert

Eine experimentelle Technik, die ihren Ursprung in der Kern- und Teilchenphysik hatte, wird heute zur Messung chemischer Reaktionen im menschlichen Körper eingesetzt und hilft in fast 50 klinischen Studien bei der Diagnose von Krebs und Herzerkrankungen.Jack Millerzeigt den unerwarteten Anstieg der dynamischen Kernpolarisation, der die Qualität der Magnetresonanztomographie erheblich verbessert

Für Physiker ist das Leben eine seltsame Sache, da es scheinbar Ordnung in einem Universum schafft, das meist zur Unordnung neigt. Auf biochemischer Ebene ist das Leben noch seltsamer – kontrolliert und thermodynamisch angetrieben durch eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle, von denen die meisten von uns wahrscheinlich noch nie gehört haben. Tatsächlich gibt es ein Molekül – Brenztraubensäure – das entscheidend ist, um uns am Leben zu erhalten.

Bei der Verbrennung setzt Brenztraubensäure Kohlendioxid und Wasser frei. Wenn Sie hart trainieren und Ihren Muskeln der Sauerstoff ausgeht, wird dieser anaerob in Milchsäure umgewandelt, was zu schmerzhaften Stichen führen kann. Später recycelt Ihre Leber die Milchsäure wieder in Zucker und der Prozess beginnt von neuem.

Aber Brenztraubensäure – chemisch bekannt als 2-Oxypropansäure (CH3CO-COOH) – ist auch ein Marker dafür, was in Ihrem Körper vor sich geht. Wenn Sie eine Treppe hochlaufen, eine Mahlzeit auslassen oder sich betäuben lassen, ändert sich die Geschwindigkeit, mit der Brenztraubensäure verstoffwechselt wird (und in was sie umgewandelt wird). Auch die Geschwindigkeit, mit der es hergestellt oder konsumiert wird, variiert enorm, wenn Sie das Pech haben, einen Herzinfarkt zu erleiden oder an Krebs zu erkranken.

Wie sich herausstellte, können wir dieses Molekül verfolgen, indem wir den intrinsischen Drehimpuls oder „Spin“ der Kerne in Brenztraubensäure ausnutzen. Der Spin ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft, die entweder als ganzzahlige oder (im Fall von Protonen und Kohlenstoff-13-Kernen beispielsweise) halbzahlige Vielfache von ħ (Plancksches Wirkungsquantum dividiert durch 2π) vorliegt. Mit einer experimentellen Technik namens „Dissolution Dynamic Nuclear Polarization“ (d-DNP) ist es möglich, eine Version der Säure zu erzeugen, bei der in einem Spinzustand viel mehr Kohlenstoff-13-Kerne vorliegen als in einem anderen.

Durch die Injektion dieser „hyperpolarisierten“ Brenztraubensäure in ein biologisches System können wir das notorisch schlechte Signal-Rausch-Verhältnis der Magnetresonanztomographie (MRT) um erstaunliche fünf Größenordnungen verbessern. Die MRT, die in der Medizin von großem Nutzen ist, nutzt eine Mischung aus starken Magnetfeldern und Radiowellen, um detaillierte Bilder der menschlichen Anatomie und der physiologischen Prozesse im Körper zu liefern. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass Patienten oft über eine Stunde in einem MRT-Gerät sitzen müssen, damit Ärzte Bilder erhalten, deren Auflösung für ihre Bedürfnisse ausreichend ist.

Mit d-DNP können wir jedoch spektakuläre MRT-Bilder gewinnen, die detailliert zeigen, was mit Brenztraubensäure in biologischen Systemen passiert. In den letzten 20 Jahren wurde die Technik zur Abbildung von Bakterien, Hefen und Säugetierzellen eingesetzt. Es wurden Tiere wie Ratten, Mäuse, Schlangen, Schweine, Axolotls und sogar Hunde untersucht, die wegen Krebs behandelt wurden. Am wichtigsten ist, dass etwa 1000 Menschen in etwa 20 Forschungslaboren auf der ganzen Welt mit d-DNP abgebildet wurden und fast 50 klinische Studien laufen.

Wie funktioniert diese Technik und was kann sie uns über den menschlichen Körper verraten?

Das Schöne an der MRT ist, dass sie Ärzten wertvolle Bilder über die Lage von Wasser und Fett im Körper liefert. Sie ist nicht-invasiv und schadet dem Patienten nicht – auch wenn es nicht besonders angenehm ist, in der Bohrung eines Magneten zu sitzen. Aber Magnetresonanz kann weit mehr als nur schöne Bilder liefern, denn das Verhalten eines Kerns in einem angelegten Magnetfeld hängt davon ab, wo sich der Kern in einem Molekül befindet und wo er sich genau im menschlichen Körper befindet. Tatsächlich können wir Radiowellen verwenden, um die Menge und Position dieser Kerne in biologischen Systemen zu messen und so die MRT in eine spektroskopische Technik umzuwandeln.

Die MRT-Spektroskopie ist in der Lage, die genaue Verteilung von Molekülen wie Milchsäure und Adenosintriphosphat (ATP – die Energiequelle zur Nutzung und Speicherung auf zellulärer Ebene) in nahezu jedem biologischen Gewebe aufzudecken. Leider sind diese Moleküle normalerweise in so geringer Konzentration vorhanden, dass MRT-Bilder von ihnen eine viel geringere Auflösung haben als entsprechende Bilder von Wasser oder Fett. Schlimmer noch, bei den meisten MRT-Spektroskopie-Experimenten muss der Patient stundenlang still sitzen, um genügend brauchbare Daten zu erhalten, was besonders schwierig ist, wenn er eine juckende Nase hat oder auf die Toilette muss.

Ende der 1990er Jahre erkannte Jan Henrik Ardenkjær-Larsen – Physiker an der Technischen Universität Dänemark (TUD) in Kopenhagen – jedoch, dass d-DNP die MRT-Spektroskopie deutlich empfindlicher machen könnte. Die von seinem TUD-Kollegen Klaes Golman und anderen entwickelte d-DNP-Technik umfasst einige schöne grundlegende physikalische Erkenntnisse, die bereits in den 1950er Jahren in Kern- und Teilchenlaboren entstanden sind (siehe Kasten). Das Herzstück von d-DNP ist das Konzept der „Kernpolarisation“, das darauf zurückzuführen ist, dass die Energieniveaus eines Kerns mit Spin in zwei (oder mehr) Komponenten aufgespalten werden, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Der Energieunterschied, der proportional zur Feldstärke ist, liefert nützliche Informationen über die Position des Kerns.

Um ein leicht messbares Signal zu erhalten, benötigt man jedoch weitaus mehr Kerne im Zustand höherer Energie (n ↑) als im Zustand niedrigerer Energie (n↓). Die entscheidende Gütezahl ist die „absolute Kernpolarisation“, P, die die Differenz zwischen der Anzahl der Kerne in den beiden Zuständen dividiert durch ihre Gesamtzahl ist, also (n ↑ – n↓) / (n ↑ + n↓). Bei Protonen oder Kohlenstoff-13-Kernen, die einen halbzahligen Spin haben, hängt P nur von der Temperatur, dem Magnetfeld und ihrem „gyromagnetischen Verhältnis“ (magnetisches Moment geteilt durch Drehimpuls) ab.

Der Wert von P kann zwischen einem Minimum von 0 und einem Maximum von 1 beim absoluten Nullpunkt liegen (Abbildung 1). Bei Raumtemperatur und in Magnetfeldern, die wir im Labor einigermaßen erreichen können, ist P ärgerlich klein – typischerweise 10–6 oder weniger. Mit anderen Worten: Wenn es im unteren Zustand genau eine Million Spins gibt, gibt es im oberen Zustand nur eine Million und einen. Allerdings gibt es in einem makroskopischen biologischen Material genügend Spin-Halbkerne, damit es – wenn auch noch relativ schwach – magnetisiert wird, wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird.

Diese schwache Magnetisierung bewegt sich mehrere Millionen Mal pro Sekunde um das angelegte Feld herum und kann durch Anlegen eines Radiowellenimpulses gemessen werden. Sie erzeugen ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das in einem nahegelegenen Stromkreis eine Spannung induziert. Um ein MRT-Bild zu erhalten, müssen Sie lediglich das angelegte Magnetfeld über eine Probe variieren und diese in Radiowellen tauchen. Das Ergebnis solcher Experimente ist eine Karte der Frequenz und Phase des Magnetresonanzsignals.

Aber weil P so klein ist, ist die Magnetisierung frustrierend schwach, die aufgezeichneten Spannungen sind klein und die Bildauflösung ist schlecht. Patienten, die beispielsweise einen hochauflösenden Gehirnscan benötigen, müssen oft über eine Stunde in einem MRT-Gerät sitzen, damit Ärzte ein ausreichend großes Signal-Rausch-Verhältnis für die benötigten Bilder erhalten. Obwohl moderne Krankenhaus-MRT-Scanner Supraleiter verwenden, die einige der stärksten und homogensten Magnetfelder der Welt erzeugen, ist die MRT – sowohl für die Bildgebung als auch für die Spektroskopie – immer noch eine äußerst zeitaufwändige Technik. D-DNP kann die MRT-Spektroskopie wesentlich empfindlicher machen.

Die Technik besteht darin, Brenztraubensäure mit einer stabilen chemischen Quelle ungepaarter Elektronen zu mischen, typischerweise einem Carbonylradikal, das in einem winzigen Molekülkäfig gefangen ist, der als „Tritylradikal“ bekannt ist. Die Mischung wird in ein Fläschchen gegeben, das in ein Bad aus flüssigem Helium getaucht wird und auf eine Temperatur von 1,4 K abgekühlt wird (Abbildung 2). Anschließend werden Mikrowellen auf die Probe abgefeuert, wodurch die Polarisation von den Carbonylelektronen auf die Kerne in der Brenztraubensäure übertragen wird, die nun eine etwa fünf Größenordnungen höhere Polarisation als bei Raumtemperatur aufweist.

Die Säure wird dann in einem nahe gelegenen MRT-Scanner in einen Patienten oder ein anderes biologisches System übertragen. Dazu wird überhitztes Wasser mit einer Temperatur von etwa 200 °C durch ein Rohr auf die gefrorene Säure gespritzt, sodass diese schnell schmilzt. Über ein weiteres Rohr wird die Säure durch einen sterilisierten Filter abgesaugt, der das Tritylradikal entfernt. Die Säure wird dann mit einer Base gemischt (um sicherzustellen, dass sie pH-neutral ist), in einer Spritze gesammelt und in die Probe oder den Patienten injiziert. Da sich die Temperatur der Brenztraubensäure fast augenblicklich ändert, sind die Spins in der warmen Flüssigkeit völlig aus dem thermodynamischen Gleichgewicht geraten.

Dies ist kein Experiment für schwache Nerven, da es normalerweise keine gute Idee ist, kochendes Wasser auf einen Kryostaten zu gießen. Es ist auch ein Wettlauf gegen die Zeit. Von dem Moment an, in dem spinpolarisierte Brenztraubensäure erzeugt wird, beginnt ihr Signal abzufallen und kehrt mit einer charakteristischen Abklingzeit von etwa 60 Sekunden zum Gleichgewicht zurück. Jeder unternehmungslustige Experimentator hat daher nicht mehr als etwa fünf Minuten Zeit, um den enormen Anstieg der Magnetisierung – und damit des Signals – zu nutzen, den d-DNP bietet.

Und das ist der große Nachteil von Brenztraubensäure. Es können nur Prozesse untersucht werden, die schneller als etwa 60 Sekunden ablaufen. Forscher müssen buchstäblich mit der Spritze voller Brenztraubensäure von ihrem Kryostat zum Scanner rennen. Sobald die Säure jedoch in ein lebendes System injiziert wird, können fortschrittliche spektroskopische Bildgebungstechniken die Bewegung der Säure durch den Körper verfolgen und überwachen, wo sie sich befindet, wie schnell sie sich bewegt und – was am wichtigsten ist – in was sie sich verwandelt (Abbildungen 3 und 4).

Die ersten Personen, die mit dieser Technik abgebildet wurden, waren eine Gruppe von Männern, bei denen zuvor Prostatakrebs diagnostiziert worden war. In einer von Sarah Nelson von der University of California in San Francisco geleiteten Studie aus dem Jahr 2013 stellten hochqualifizierte Pharmazeuten die hyperpolarisierte Brenztraubensäure mithilfe eines umfunktionierten Magneten aus einem Kernspinresonanzgerät (NMR) von Oxford Instruments her, das bei einem Feld von 3,35 T betrieben wurde ( Sci. Transl. Med.5 198). Nach der Injektion der Substanz in Patienten konnten die Forscher den Krebs bei jeder untersuchten Person anhand der anschließend erhöhten Milchsäureproduktion erkennen.

Milchsäure ist eines der Kennzeichen von Krebs, da Tumore eine große Menge davon produzieren, die lokale Umgebung ansäuern, benachbarte Zellen stören und die Ausbreitung des Tumors unterstützen. Bei einem Patienten entdeckte das Team in San Francisco sogar eine zusätzliche Tumorablagerung, die der konventionellen Bildgebung entgangen war. Der durch eine weitere Biopsie bestätigte Nachweis führte schließlich dazu, dass die Ärzte die Behandlung des Patienten änderten.

Eine Schwierigkeit bei d-DNP besteht darin, dass das flüssige Helium, das für die Technik unerlässlich ist, nicht einfach sterilisierbar ist. Darin bleiben Sporen sichtbar, die – wenn sie in einen kranken Patienten gelangen – tödlich sein könnten. Daher ist es schwierig sicherzustellen, dass die Technik steril, sicher, wiederholbar und bei weitem nicht so gefährlich ist, wie sie klingt. Unsere aktuelle Lösung besteht darin, die Brenztraubensäure über ein sterilisiertes koaxiales Einweg-Kunststoffrohr vom Kryostaten zur Spritze zu transportieren.

Die Herstellung dieser Geräte ist unverschämt teuer, da sie verschiedene sterile Filter, fließende Chemikalien und computergesteuerte Spritzen zur Handhabung der Brenztraubensäure erfordern. Das Rohr muss außerdem stabil genug sein, um einem Temperaturunterschied von fast 500 °C (dh von der Temperatur des flüssigen Heliums bis zum kochend heißen Lösungsmittel) standzuhalten, ohne zu reißen und Flüssigkeit herumzuspritzen. Jeder Scan eines menschlichen Teilnehmers kann daher mehrere tausend Pfund kosten.

Aber wenn man bedenkt, wie viel es kostet, Krebspatienten mit Operationen oder Medikamenten zu behandeln, ist es durchaus einen Preis wert, den man zahlen muss. Und die Ergebnisse sind atemberaubend. Sie erhalten eine Reihe von Bildern, die grob gesagt die Konzentration der Brenztraubensäure auf ihrem Weg durch den Körper und die Konzentration dessen, in was sie umgewandelt wird, zeigen. Diese Bilder bieten einen unschätzbaren Einblick in den menschlichen Zustand, da die Säuremenge von den spezifischen biochemischen Reaktionen abhängt, die in verschiedenen Teilen des Körpers ablaufen.

Wir wissen zum Beispiel, dass Chemotherapeutika gegen Krebs erfolgreich sind, wenn sie die Umwandlung von Brenztraubensäure in Milchsäure verlangsamen. Durch die Bildgebung eines Krebspatienten mit d-DNP nach Einnahme der Medikamente können Ärzte möglicherweise innerhalb von Tagen oder Stunden feststellen, ob das Medikament wahrscheinlich wirkt. Ohne d-DNP benötigen Patienten oft Wochen später eine weitere Reihe von Scans, um zu sehen, ob sie gewirkt haben und ob die Tumoren geschrumpft sind.

Weltweit gibt es fast 50 registrierte klinische Studien mit d-DNP, darunter eine, die ich selbst in Dänemark durchführe. Ziel ist es, Frauen zu helfen, die an lokal fortgeschrittenem Eierstockkrebs leiden und sich derzeit in etwa 30 % der Fälle schwierigen Operationen unterziehen müssen, bei denen der Tumor nicht erfolgreich entfernt werden kann. Chirurgen können derzeit nicht genau vorhersagen, ob es ihnen gelingen wird, einen Tumor vor Beginn herauszuschneiden, und wünschen sich im Nachhinein vielleicht, sie hätten es vorher schon länger mit einer Chemotherapie versucht.

Die Technik ist das Ergebnis von mehr als sechs Jahrzehnten vermeintlich geheimnisvoller Grundlagenphysik, die viele als irrelevant und nutzlos für die „reale Welt“ abgetan hätten.

Die Fähigkeit, die Krankheit eines Menschen – und wie er auf eine Therapie anspricht – schnell und objektiv messen und quantifizieren zu können, ist ein heiliger Gral vieler medizinischer Forschung. Die Auflösung von DNP könnte eine Möglichkeit sein, uns dies routinemäßig zu ermöglichen, und ist meiner Meinung nach ein großartiges Beispiel für interdisziplinäre Forschung und angewandte Physik. Die Technik ist das Ergebnis von mehr als sechs Jahrzehnten vermeintlich geheimnisvoller Grundlagenphysik, die viele damals als irrelevant und nutzlos für die „reale Welt“ abgetan hätten.

Es tröstet mich sehr zu wissen, dass diese wunderbare Mischung aus Quantenphysik, Chemie und klinischer Medizin buchstäblich Leben rettet.

Das Prinzip der auflösungsdynamischen Kernpolarisation (d-DNP) geht auf den US-amerikanischen theoretischen Physiker Albert Overhauser zurück, der bereits 1953 erkannte, dass das gyromagnetische Verhältnis von Elektronen etwa 500-mal größer ist als das von Kernen. Da P proportional zu diesem Verhältnis ist, wird die Polarisation der Elektronen daher auch viel größer sein. Overhauser sagte voraus, dass man durch das Abfeuern von Mikrowellen mit genau der richtigen Energie auf ein Metall wie Lithium-7, das über ungepaarte Elektronen verfügt, in der Lage sein sollte, die große Polarisation der Elektronen auf seine Kerne zu übertragen.

Drei Jahre später zeigten Thomas Carver und Charles Slichter, dass die Polarisation auf diese Weise tatsächlich von Elektronen „geliehen“ werden konnte (Phys. Rev.102 975). Mit batteriebetriebenen Magnetmagneten erhöhten sie ihre Polarisation um zwei Größenordnungen von etwa 10–9 auf 10–7. Andere Physiker schlossen sich der Suche nach höheren Kernpolarisationen an, wobei der in Lettland geborene Physiker Anatole Abragam große Fortschritte machte. Anstatt Lithium-7 zu verwenden, kühlte er ein bestimmtes paramagnetisches Salz in einem starken Magnetfeld ab, bis sich fast alle seine Elektronen im thermischen Gleichgewicht im Grundzustand befanden, wodurch eine Polarisation von nahezu 1 erreicht wurde.

Indem er Mikrowellen auf die Probe abfeuerte, konnte er einen großen Teil der enormen Polarisation der Elektronen auf die Kerne übertragen. Die Polarisation der Kerne stieg im Laufe einer halben Stunde auf etwa 0,8 an, was viele Größenordnungen größer ist, als sie sonst der Fall wäre. Die Kerne sollen „dynamisch polarisiert“ sein, denn sobald die Mikrowellen ausgeschaltet werden, entspannen sich sowohl die Elektronen als auch die Kerne wieder ins Gleichgewicht. Der Wert von P nimmt exponentiell ab, wobei die Halbwertszeit zwischen Sekunden (für Elektronen) und Tagen (für Kerne bei sehr niedrigen Temperaturen) liegt.

Die Technik, die damals einfach als dynamische Kernpolarisation bekannt war (also ohne den Begriff „Auflösung“), wurde auch für Hochenergiephysiker in Labors wie dem CERN interessant, die erkannten, dass metergroße Blöcke aus kryogen gekühlten paramagnetischen Salzen möglich waren als Zielobjekte für Experimente verwendet. Diesen Materialien kann ein bekannter Spin verliehen werden, sodass es durch das Beschießen von Teilchenstrahlen möglich wurde, zu untersuchen, wie Hadronen unter kontrollierten Bedingungen interagieren. In den 1970er Jahren hatte sich die Technik von einem obskuren „Trick“ der Festkörperphysik zu einem routinemäßigen und nützlichen Merkmal der Teilchenphysik entwickelt.

Es besteht jedoch ein großer Unterschied zwischen der Messung von Hadronen bei niedrigen Temperaturen und der Untersuchung lebender biologischer Materialien. Dazu benötigen wir ein Molekül, das sich leicht polarisieren lässt, langsam zerfällt und nach der Injektion in einen lebenden Organismus etwas biologisch Interessantes bewirkt. Brenztraubensäure ist genau das Richtige. Abgesehen davon, dass es das Herzstück aller chemischen Reaktionen ist, die das Leben antreiben, ist es mit häufig verwendeten chemischen elektronischen freien Radikalen mischbar, löst sich leicht in heißen Lösungen und ist sicher, wenn es dem Menschen injiziert wird.