Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

1100 Jahre in 100 Sekunden: Berliner Forscher erzielen Durchbruch für neues Diagnose-Verfahren

16.07.2012
Den Patienten durchleuchten und dabei gezielt krankheitsrelevante Moleküle und Zellen aufspüren – an dieser Vision arbeitet eine Gruppe von Wissenschaftlern am Leibniz Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP).

Nun ist ihnen ein entscheidender Durchbruch gelungen. Durch optimierte Aufnahmetechniken können sie Biomarker innerhalb von 100 Sekunden mit einer Genauigkeit abbilden, für die ein Patient bei bisherigen Techniken 1100 Jahre stillhalten müsste. Mit Hilfe solcher „Xenon-Biosensoren“ könnten Ärzte einmal ganz neue Einblicke in den menschlichen Körper gewinnen.

Der Blick ins Innere des Körpers hat die Medizin revolutioniert – viele Erkrankungen oder innere Verletzungen erkennen Ärzte heute dank moderner bildgebender Diagnostik, indem sie den menschlichen Körper mit Radiowellen oder radioaktiven Isotopen durchleuchten. Doch dieser Blick ist noch immer beschränkt: Im Kernspintomographen (MRT) kann man zwar hervorragend unterschiedliche Gewebearten sichtbar machen, aber wenig Feinheiten wie Zelltypen oder Stoffwechselprodukte in geringer Konzentration erkennen. Das gelingt besser mit der Positronenemissions-Tomographie (PET) mit Hilfe von radioaktiven Isotopen, doch hier ist die räumliche Auflösung geringer und die Diagnose ist mit Strahlenbelastung verbunden.

Die Vorteile beider Methoden könnte einmal ein ganz neues Verfahren vereinen, an deren Grundlagen derzeit am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gearbeitet wird. Hier entwickelt der Physiker Leif Schröder mit seiner Arbeitsgruppe ein trickreiches Prozedere, das Ärzten einmal detailliertere Bilder als bislang bieten soll. Wie beim MRT nützt auch Leif Schröder den Kernspin von Atomkernen, die sich in sehr hohen Magnetfeldern entsprechend dem Magnetfeld ausrichten. Je nach chemischer Umgebung treten sie dann mit Radiowellen in Wechselwirkung, ein Computer kann aus den zurückgesandten Signalen ein Bild errechnen. Anders als beim herkömmlichen Verfahren messen die Forscher am FMP aber nicht die Resonanz von Wasserstoff-Atomen, die im menschlichen Körper zwar allgegenwärtig sind, aber nur schwache Signale aussenden. Stattdessen reichern sie die Proben mit „hyperpolarisiertem“ Xenon an, dessen Atomkerne in Summe weit stärkere Signale aussenden.

Die Vision geht dahin, dass Patienten einmal das ungiftige Edelgas einatmen werden, so dass es sich zunächst in der Lunge und über das Blut im Körper verteilt. Zugleich bekäme der Patient maßgeschneiderte Biosensoren injiziert, die sich je nach Fragestellung zum Beispiel an bestimmte Tumorzellen oder auch an Arteriosklerose-Plaques anheften könnten. Die Biosensoren fangen zugleich mittels einer besonderen Käfigstruktur die Xenonatome ein, und die gesuchten Moleküle oder Zellen werden so im Magnetfeld sichtbar.

Die Idee zu dieser Methode entstand bereits an der Universität von Berkeley, wo Schröder vor seiner Zeit am FMP arbeitete. Am Berliner Institut mit seiner großen technischen Ausstattung hat der Physiker eine Gruppe von Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Disziplinen um sich geschart, mit deren Hilfe ihm nun ein entscheidender Durchbruch gelungen ist. „Wir mussten beweisen, dass die Methode wirklich hochauflösende Bilder liefern kann, die im Prinzip mit den bisherigen medizinischen Diagnoseverfahren konkurrieren könnte“, erklärt Schröder. Dafür musste er zunächst das Verfahren optimieren, mit dem man das benötigte hyperpolarisierte Xenon erzeugt. Das geschieht durch starke Laserstrahlen, durch welche sich die Atomkerne für eine gewisse Zeit magnetisch ausrichten,. „Wir benützen nun eine neue Laseraparatur, die erst seit vier Jahren auf dem Markt ist – normalerweise wird sie eher in der Industrie eingesetzt, man kann mit solchen Lasern zum Beispiel dicke Stahlplatten präzise zerschneiden“, erklärt Schröder. Zugleich ist es seinen beiden Doktoranden Martin Kunth und Jörg Döpfert gelungen, die Verarbeitung der Signale und damit die Auflösung der Bilder entscheidend zu verbessern.

Die Idee der neuartigen Xenon-Biosensoren hat von Beginn an für erhebliches Aufsehen in der Fachwelt gesorgt, doch da die Technik noch in den Kinderschuhen steckt, arbeiten weltweit nur einige wenige Gruppen daran. Erst kürzlich spekulierte eine französische Gruppe im Journal „Angewandte Chemie“ darüber, ob der von Leif Schröder eingeschlagene Weg die nötige räumliche Auflösung in ausreichend geringer Aufnahmezeit möglich machen könnte. „Das war für uns eine Steilvorlage“, sagt Schröder. „Zu dem Zeitpunkt verfügten wir eigentlich schon über die nötigen Nachweise,“ergänzt Kunth. „Während zuvor eine Messung noch über zwanzig Minuten dauerte, sind jetzt nur noch hundert Sekunden nötig. Und wir setzen die Biosensoren jetzt in Konzentrationen ein, wie sie für die Praxis realistisch sind.“ Selbst zeitaufgelöste „Filme“ sind laut Kunth nun machbar. „Bei konventioneller Detektion bräuchte man für eine einzelne Aufnahme 1100 Jahre“, erläutert Döpfert.

Sie reichten ihre Daten ebenfalls bei „Angewandte Chemie“ ein, und das renommierte Journal stufte die Arbeit sogleich als „Hot Topic“ ein. Der besondere Trick der Gruppe um Schröder besteht darin, dass das Signal der Xenon-Atome durch die Biosensoren „gelöscht“ wird. Da sie jeweils nur für wenige Millisekunden in den Molekülkäfig hinein diffundieren, werden während einer Aufnahme Tausende Atome quasi ausgeknipst, wodurch ein dunkler Fleck im Bild entsteht.

„Wir sind nun an dem Punkt angelangt, wo wir beginnen können, lebende Proben zu untersuchen“, sagt Schröder. Außerdem könnte man mit der Methode auch unterschiedliche Biosensoren zugleich einsetzen und sie bei verschiedenen Radiofrequenzen sichtbar machen. Damit könnte zum Beispiel die unterschiedlichen Zellentypen sichtbar machen, aus denen sich ein Tumor zusammensetzt. Der Blick ins Körperinnere – er könnte einmal sehr fein gezeichnet und zudem auch noch bunt werden.

Kontakt
Dr. Leif Schröder
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
E-Mail: lschroeder@fmp-berlin.de
Tel: 030 94793 - 121

Dr. Birgit Herden | idw
Weitere Informationen:
http://www.fmp-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Sind Epilepsie-Patienten wetterfühlig?
23.05.2017 | Universitätsklinikum Jena

nachricht Dual-Layer Spektral-CT: Bessere Therapieplanung beim Bauchspeicheldrüsenkrebs
18.05.2017 | Deutsche Röntgengesellschaft e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten