Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Astrophysik geht an die Knochen

18.10.2005


HR-MR-Schnittbilder des Unterarms eines gesunden Patienten (oben links) und eines Patienten mit osteoporotischer Wirbelkörperfraktur (oben rechts). Darunter jeweils die segmentierte Speiche des Unterarms: Die Farbcodierung entspricht den Werten der Skalierungsindizes; die helleren Farben zeigen die Verschiebung hin zu höheren Werten für osteoporotische Knochen mit ausgedünntem trabekulärem Netzwerk.
Bild: MPI für extraterrestrische Physik


Um das Osteoporose-Risiko besser zu erfassen, nutzen Wissenschaftler erfolgreich Methoden zur Kartierung des Weltalls / Neue Ausgabe von MaxPlanckForschung erschienen

... mehr zu:
»Astrophysik »Osteoporose »Räth

Was haben Galaxien und Knochen gemein? Auf den ersten Blick gar nichts. Verkleinert man jedoch das Weltall auf rechnerischem Weg und schrumpft die Sternsysteme zu Punkten, kommt ein Bild zum Vorschein, das frappierend der Struktur eines durch Osteoporose geschädigten Knochens gleicht. Darauf beruht ein Verfahren, das Forscher des Garchinger Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik zusammen mit Medizinern des Münchner Klinikums rechts der Isar entwickelt haben. Damit lässt sich das Osteoporose-Risiko wesentlich präziser erfassen als bisher.

Osteoporose, auch Knochenschwund genannt, steht als Volkskrankheit zunehmend im Zentrum des öffentlichen Interesses. Charakteristisch für dieses Leiden ist eine verminderte Knochenmasse, die mit porösen Umbauten in der Mikroarchitektur des Knochens einhergeht. Beides führt dazu, dass der Knochen an Festigkeit verliert und leichter bricht. "Etwa 30 Prozent aller Frauen in Europa und Nordamerika sind heute schon davon betroffen", sagt Christoph Räth. "Die Hauptkomplikationen bei der Osteoporose sind beispielsweise das Zusammenbrechen von Wirbeln oder Brüche des Oberschenkelknochens."


Dass sich Christoph Räth mit dem Medizinthema so gut auskennt, mag man angesichts seiner Profession kaum vermuten: In der Abteilung Theorie und komplexe Plasmen am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching beschäftigt er sich mit Fragen der theoretischen Astrophysik. Wie, so eine seiner Fragestellungen, ist nach dem Urknall das heutige Weltall entstanden? Damals gab es nichts weiter als eine heiße Ursuppe, erfüllt mit Energie und ersten, einfachen Teilchen. Darin liefen physikalische Prozesse ab, die sich in der Rückschau bisher nur erahnen lassen - und die mehr bergen als den Schlüssel zum Verständnis des Universums.

Das Ergebnis dieser Prozesse ist der Kosmos, wie er sich den heutigen Messungen darstellt: mit großen Massen, konzentriert in Galaxien, zwischen denen sich riesige, fast leere Räume erstrecken. Mitte der 1980er-Jahre wurde offenbar, dass das All einer Schaumstruktur gleicht. Die Mehrzahl der Galaxien liegt auf virtuellen Kugelschalen, die aneinander kleben wie in einem kosmischen Schwamm.

Der Schaum erweist sich als äußerst komplex. Um seine Strukturen zu charakterisieren, müssen die Astrophysiker für ihre Computermodelle verfeinerte mathematische Beschreibungen entwickeln: Sie geben für jeden Raumpunkt an, ob er isoliert steht oder zu einer linien- oder gar flächenartigen Struktur gehört, und wie stark er mit seiner Umgebung vernetzt ist. Beides liefert ein Maß für die räumliche Anordnung und Verteilung der Galaxien.

Dass sich derartige Analysen eventuell auch auf die Struktur von Knochen anwenden ließen, diese Idee hatte Thomas Link, Oberarzt am Münchner Klinikum rechts der Isar. Der Mediziner hatte sich schon seit Jahren mit dem Thema Osteoporose beschäftigt und wusste, dass das Innere der kranken Knochen auffallend den kosmischen Schwammstrukturen gleicht. Link hatte auch gehört, dass am Garchinger Max-Planck-Institut fachübergreifende Kooperationen mit Medizinern schon Tradition haben: Dabei waren mathematische Erkennungsverfahren für Hautkrebs entwickelt worden, ferner Methoden, das Volumen von Tumoren zu bestimmen, sowie spezielle Analysemethoden für Elektrokardiogramme, mit deren Hilfe sich Risikopatienten ermitteln lassen. Und so kam Link schließlich an Räth - und ein Osteoporoseprojekt in Gang.

Osteoporose, so schätzen Fachleute, verursacht allein in Deutschland Kosten von drei bis vier Milliarden Euro pro Jahr. "Und in unserer alternden Gesellschaft rechnet man mit einer dramatischen Zunahme der Osteoporose und den damit verbundenen Folgeschäden in den kommenden Jahren", sagt Räth. Es wäre also gesundheitlich und volkswirtschaftlich erstrebenswert, eine zuverlässige Diagnose und wirksame Medikamente gegen diese Krankheit zu finden.

Zur Diagnose des Knochenschwunds dient bislang eine Knochendichtemessung, die den Mineralgehalt des Knochens angibt. Allerdings ist dieses Verfahren nur eingeschränkt anwendbar: So gibt es Patienten mit normaler Knochendichte, die trotzdem osteoporotische Frakturen erleiden - und umgekehrt auch Patienten mit zu geringer Knochendichte, die keine Brüche erleiden. Eine schärfere Charakterisierung der Knochenstruktur und damit des Bruchrisikos wäre also wünschenswert.

Link und Räth analysieren zunächst die Knochenstruktur von Patienten mittels hoch auflösender Magnetresonanztomografie: Sie bildet wasserstoffhaltige Gewebe ab und liefert, da die Hohlräume des Knochens mit Knochenmark gefüllt sind, ein Negativbild der knöchernen Substanz. Auf die so dargestellte schwammartige Struktur wenden die Physiker dann dieselben Verfahren an, die für die Analyse der Weltallbilder entwickelt wurden, und gewinnen damit Aufschluss über die räumliche Architektur des Knochens - im Unterschied zur Knochendichtemessung, die nur den Mineralgehalt insgesamt erfasst.

Das Ergebnis: Trägt man beispielsweise die Verteilung der Skalierungsindizes von unterschiedlichen Personen auf, ergibt sich für gefährdete Patienten eine Kurve, die gegenüber der Normalverteilung verschoben ist. Christoph Räth: "Damit haben wir ein Maß an der Hand, das aussagt, wie anfällig der Knochen für Brüche ist." Mehr als drei Jahre intensiver Forschung haben inzwischen bestätigt, dass dieses Maß recht zuverlässig ist. Mit entsprechend hoher Motivation wird nun daran gearbeitet, das Verfahren weiter zu verbessern und zu standardisieren. Das Ziel ist außerdem, auch Auf- und Abbauprozesse im Knochen so genau zu berechnen, dass sich die Wirkung von Medikamenten sowie von Trainingsmethoden schon im Voraus abschätzen lässt.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Christoph Räth
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Tel.: +49 89 30000-3348
Fax: +49 89 30000-3569
E-Mail: cwr@mpe.mpg.de

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Astrophysik Osteoporose Räth

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie