Osteoporose mit Astrophysik erklärbar

System zur Kartierung des Weltalls erfasst Knochenschwund-Risiko genauer

Auf den ersten Blick wirken die beiden Wissenschaftsdisziplinen extraterrestrische Physik und Knochenmedizin nicht zusammengehörig. Verkleinert man jedoch das Weltall auf rechnerischem Weg und schrumpft die Sternsysteme zu Punkten, kommt ein Bild zum Vorschein, das der Struktur eines durch Osteoporose geschädigten Knochens gleicht. Das System zur Kartierung des Weltalls erfasst das Osteoporose-Risiko wesentlich präziser als andere Methoden. Die Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben das Verfahren zusammen mit Medizinern des Münchner Klinikums rechts der Isar entwickelt.

Bisher wurde Osteoporose mithilfe von Knochendichtemessungen, die den Mineralgehalt des Knochens angibt, erfasst. Das Verfahren weist allerdings einige Schwachpunkte auf, da es immer wieder Patienten gibt, die zwar normale Werte aufweisen, dennoch unter so genannten osteoporotischen Frakturen leiden. Wie die beiden Forscher der unterschiedlichen Disziplinen auf diese Idee gekommen sind, schildert Christoph Räth von der Abteilung Theorie und komplexe Plasmen am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching im pressetext-Gespräch. „Der Mediziner Thomas Link hat das Problem der Osteoporose geschildert und Bilder gezeigt“, so der Wissenschaftler, der daraufhin die Ähnlichkeit der Struktur mit jener des Weltalls und den dort vorkommenden Strukturen erkannt hat.

Erfasst wird das ganze mit Magnetresonanztomographen. „Es handelt sich dabei nicht um eine bessere Bildgebung, sondern um eine anspruchsvollere und erweiterte Auswertung des Bildmaterials“, erklärt Räth, der sich mit Fragen der theoretischen Astrophysik wie etwa der Entstehung des Weltalls beschäftigt. Vor Zeiten 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. 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. Vor rund 20 Jahren kamen die Forscher zur Erkenntnis, 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. Bei der Charakterisierung dieser Strukturen wurden nun verfeinerte mathematische Beschreibungen entwickelt. 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.

„Diese Verfahren bestimmen die Dimensionalität für Strukturen“, erklärt Räth. Das sei auch bei der Osteoporose anwendbar. Auch dabei verändern sich die Strukturen. Die beiden Wissenschaftler haben zunächst die Knochenstruktur von Patienten mittels hoch auflösender Magnetresonanztomografie analysiert. Diese Struktur 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 das Verfahren an, das für die Analyse der Weltallbilder entwickelt wurde und gewinnen Aufschluss über die räumliche Architektur des Knochens.