Sauerstoff-17 (O-17)-MRT bei 7 Tesla: Die Abbildungen zeigen Transversale...
Sauerstoff-17 (O-17)-MRT bei 7 Tesla: Die Abbildungen zeigen Transversale Schichten auf gleicher Höhe eines Probanden mit niedriggradigem (WHO Grad 2) Astrozytom. A: T2-TSE, B: Fusion eines T1-MPRAGE Bildes mit der O-17-MRT; die rote Linie markiert das Tumorareal entsprechend der Ausdehnung auf der T2-TSE. C: Natives O-17-Bild. Entsprechend des Warburg-Theorems zeigt die O-17-MRT einen reduzierten Sauerstoff-Umsatz im Tumorareal

Bildgebung mit Sauerstoff

X-Kern-MRT blickt in den Tumorstoffwechsel

Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) wird gewöhnlich das mit dem Spin verbundene magnetische Moment der Atomkerne des Wasserstoffs gemessen. Wissenschaftler vom Deutschen Krebsforschungszentrum untersuchen allerdings den Spin anderer Kerne für die Bildgebung.

„Die X-Kern-Bildgebung hat sehr großes Potenzial für die MRT-Bildgebung, da X-Kerne in vielen physiologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen“, weiß der Arzt und Physiker Dr. Dipl. Phys. Daniel Paech. „So konnten wir beispielsweise zeigen, dass es möglich ist, Sauerstoff-17 im gesunden Gehirn und im Gewebe eines Hirntumors zu messen und dadurch Informationen über dessen Stoffwechsel zu erlangen.“

Die Wissenschaftler stellen die Methode jetzt im Journal Radiology vor.

portrait of daniel paech
Dr. Dipl. Phys. Daniel Paech studierte Physik ist Ärztlicher Leiter des 7-Tesla MRT am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg

Bei dem Sauerstoff, den wir über die Luft einatmen, handelt es sich hauptsächlich um das Isotop Sauerstoff-16. Dieses hat keinen magnetischen Moment, weshalb es im MRT nicht messbar ist. In geringerer Konzentration kommt auch das stabile, nicht radioaktive Sauerstoff-17 (17-O2) in der Natur vor. Um den Sauerstoff-abhängigen Metabolismus im menschlichen Körper sichtbar zu machen, beispielsweise für MRT-Untersuchungen oder ein dynamisches Inhalationsexperiment, muss der Patient es angereichert inhalieren.

Überall, wo in den Körpergeweben Sauerstoff verstoffwechselt wird, geht 17-O2 eine Verbindung mit Wasserstoff ein. Dadurch wird es im Magnetfeld des MRT nachweisbar. Gewebe, das viel Sauerstoff umsetzt, erscheint daher im Bild hell. Ohne die Inhalation bekäme der Radiologe zwar auch ein Bild, doch dies wäre sehr schlecht aufgelöst und hätte zudem keine Informationen über die Stoffwechselaktivität. „Das für uns Spannende ist, dass dieser Sauerstoff-17 erst in der wassergebundenen Form messbar ist, aber noch nicht in der hämoglobingebundenen. Da im Körper Sauerstoff nur an einer einzigen Stelle verbraucht wird, nämlich an der Mitochondrienmembran in den Zellen zur Energiegewinnung in der Atmungskette, haben wir eine ganz spezifische Methode zur Hand, um einen sauerstoffabhängigen Metabolismus zu messen“, erklärt Paech.

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Natrium-MRT bei 7 Tesla bei einem Probanden mit histologisch gesichertem Glioblastom (WHO Grad 4) Tumorrezidiv. Der quantitative Natrium-Kontrast (links) zeigt erhöhte Natriumkonzentrationen im schrankengestörten Tumorareal und peritumoralen Ödem. Rechts: Klinisches Referenzbild, T1-MPRAGE mit Kontrastmittel. Im Referenzbild sind die analysierten Regionen zudem farblich dargestellt (blau: Tumor mit Schrankenstörung, rot: peritumorales Ödem, gelb: kontralaterale weiße Substanz).

Bei ihrer technischen Entwicklungsarbeit haben Paech und seine Kollegen die Methode zunächst bei drei gesunden Probanden getestet. Wie erwartet, lassen deren Gehirne in der Bildgebung einen hohen Sauerstoffumsatz erkennen. Anschließend haben sie zehn Probanden mit einem Hirntumor untersucht. Bei diesen Patienten häuft sich in Tumorzellen Milchsäure an. Dieses Stoffwechselprodukt ist das Ergebnis des anaeroben Stoffwechsels, den die Krebszellen bevorzugen – auch dann, wenn ihnen ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht. Bekannt wurde dieses Phänomen unter dem Namen Warburg-Effekt.

„Mit Hilfe der Sauerstoff-X-Kern-Bildgebung konnten wir zeigen, dass sich der spezifische Stoffwechsel des Tumors auch bei niedrig-gradigen Tumoren darstellen lässt. Sprich, der Tumor stellt sich dann als eine Region dar, in der kein oder nur minimal Sauerstoff verarbeitet wird“, berichtet Paech. Um ein vernünftiges Signal und einen guten Kontrast zu erhalten, haben die Forscher des DKFZ in Eigenarbeit spezifische Spulen für den 7-Tesla MRT entwickelt, die bislang lediglich für die Bildgebung des Kopfes eingesetzt werden können.

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Die normale MRT-Bildgebung ist primär eine strukturelle, sie zeigt Wasser im Körper. Die Darstellung des Tumorwachstum durch die veränderte Struktur, das zerstörte Gewebe, ist nur ein sekundärer Effekt. „Das ist das Interessante an der Sauerstoff-17-Bildgebung, denn mit dem Blick auf die Stoffwechselaktivität des Gewebes dringen wir in eine neue Ebene vor:  Wir erhalten in vivo Informationen über das Gewebe, die als komplementär zu den strukturellen Bildgebungstechniken zu sehen sind“, sagt der Experte.

Die Forscher haben folglich nicht nur neue Erkenntnisse über die Biologie von Gehirntumoren gewonnen, sondern haben auch eine Technik entwickelt die künftig dabei helfen könnte, Tumoren anhand ihres besonderen Stoffwechsels noch präziser zu charakterisieren. Ebenso erwarten die Forscher, dass die Sauerstoff-MRT in Zukunft auch bei anderen Erkrankungen, die mit Veränderung von Stoffwechselvorgängen einhergehen, etwa Alzheimer oder Multiple Sklerose, wertvolle Informationen liefern kann.

Mit der Sauerstoff-15-PET-Bildgebung gibt es derzeit nur eine Technik, die direkt mit der 17-O2-MRT vergleichbar ist. Allerdings ist 15-O2 radioaktiv und zerfällt innerhalb von zwei Minuten. „Für die Herstellung von 15-O2 bräuchten wir eine Anlage direkt neben dem Klinikum, um das Isotop innerhalb kürzester Zeit dem Patienten verabreichen können. Das ist im klinischen Alltag ziemlich unpraktikabel“, begründet Paech die Tatsache, dass sich die 15-O2-PET-Bildgebung nicht durchgesetzt hat.

Kontinuität vorausgesetzt, könnten wir diese Methode so in etwa zehn Jahren in den klinischen Alltag gebracht werden

Daniel Paech

Neben Wasserstoff gibt es noch weitere X-Kerne, die für die medizinische Bildgebung interessant sein könnten. Doch für Kalium-, Chlorid- oder Magnesium-Kerne gibt es bislang noch keine klinischen oder wissenschaftlich relevanten Studien. Etwas weiter sind die Forschungen an der Natrium-Bildgebung, bei der die Verteilung des natürlichen Natriums im Körper gemessen wird. „Bei Tumor-Erkrankungen sehen wir veränderte Natrium-Signale, weil dort u.a. das Absterben von Zellen und Ödem-Bildungen zu einer Erhöhung der lokalen Natriumkonzentration führen“, berichtet Paech.

Trotz der potenziellen Vorteile der 17-O2-Bildgebung sind die Kosten für den 7-Tesla MRT und die Herstellung des Sauerstoff-17-Isotops beträchtlich und erschweren die weitere Entwicklung der Methode. „Um die diagnostische Wertigkeit zu begründen, müssen wir zukünftig klinische Studien mit größeren Patientenzahlen durchführen und nachweisen, dass die Methode einen reellen klinischen Nutzen bietet. Kontinuität vorausgesetzt, könnten wir diese Methode so in etwa zehn Jahren in den klinischen Alltag gebracht werden“, so Paech abschließend. 


Profil:

Dr. med. Dipl. Phys. Daniel Paech studierte Physik (Diplom 2011) und Medizin (Staatsexamen 2015) an den Universitäten Karlsruhe, Heidelberg und Paris-Sorbonne. Er ist Ärztlicher Leiter des 7-Tesla MRT in der Abteilung von Prof. Heinz-Peter Schlemmer (E010 Radiologie) am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg.

19.02.2020

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