Multimodale Magnetresonanz-Methoden zur Metabolismusforschung

Kernspin-Magnetresonanz-Bildgebung (Nuclear magnetic resonance imaging, MRI) ist eine Routinemethode der bildgebenden Diagnostik, die nichtinvasiv und ohne ionisierende Strahlung arbeitet. Darüber hinaus kann die Kernspinresonanz (NMR) auch in Form von NMR-Spektroskopie (MRS) als spezifische Methode zur Untersuchung von Stroffwechselvorgängen in vivo eingesetzt werden. Obwohl dazu meist die Wasserstoffkerne im Körper genutzt werden, funktionieren Bildgebung und Spektroskopie auch mit (allerdings weniger empfindlichen) Elementen. Die sogenannte Multikern- oder X-nuclear NMR eröffnet einen erweiterten Blickwinkel auf metabolische Vorgänge im untersuchten Gewebe. Insgesamt bieten NMR-Modalitäten eine beeindruckende Vielseitigkeit an Untersuchungen mit ein- und demselben MR-Gerät. Interessanterweise können im Prinzip zwei oder auch mehrere unabhängige Untersuchungen mit verschiedenen Kernen gleichzeitig durchgeführt werden, da sich diese gegenseitig nicht oder kaum beeinflussen. Der praktische Vorteil dieses Ansatzes ist eine verbesserte Ausnutzung der Messzeit, bzw. eine Reduktion der Zeit, die der Patient im Scanner verbringt. Darüber hinaus bietet die gleichzeitige Erfassung komplementärer Information während eines einzelnen metabolisch-dynamischen Vorgangs natürlich einen wissenschaftlich- diagnostischen Mehrwert zur Charakterisierung des physiologischen oder pathologischen Zustandes. Diese verschachtelte Multikern-NMR stellt jedoch eine technische Herausforderungen an den MR-Scanner und wurde deshalb bisher nur in wenigen Forschungsgruppen die über speziellen Spektrometer-Konfigurationen verfügen realisiert. Auf aktuellen klinischen Standardgeräten ist es hingegen derzeit nicht möglich, Signale mit einem Frequenzabstand einiger zig Megahertz gleichzeitig zu empfangen und zu verarbeiten. In diesem Projekt arbeiten nun zwei Gruppen zusammen, welche den interessanten Ansatz verschachtelter Multikern-NMR in der Vergangenheit erfolgreich verfolgt haben. Das Hauptziel ist, Arterial Spin Labelled MRI zur Quantifizierung von Perfusion mit der gleichzeitigen Messung von Phosphor-31 MR-Spektren zur Bestimmung von Parametern der oxidativen Phosphorylierung auf ihren jeweiligen klinischen Systemen zu implementieren, die zwei Generationen sehr weit verbreiteter klinischer MR-Geräten eines Herstellers repräsentieren. Über diesen ersten Schritt hinausgehend ist Ziel des Projekts, die generelle Methode, zwei Kerne in einer einzigen Sequenz zu messen, weg von spezialisierten Forschungsanwendungen und hin zu konventionellen klinischen MR-Scannern zu transportieren und damit seine Anwendung und Verbreitung im größeren Stil zu ermöglichen und zu fördern. Hardwareseitig wird die verschachtelte Multikern-NMR auf der kommenden Scanner-Plattform ohne weitere Modifikation technisch möglich sein, auf aktuellen Scannern sind hingegen technische Adaptionen notwendig. Die Entwicklung von Radiofrequenzpuls-Programmen, Datenakquisition und -Extraktion und Nachverarbeitung sind im Wesentlichen auf der aktuellen und kommenden Plattform, über welche die Institute jeweils verfügen, identisch. Dieses Projekt eröffnet eine ganze Reihe neuer Perspektiven der Forschung, sei es im Zusammenhang mit physiologischen Anwendungen die durch verschachtelte Multikern-NMR auf klinischen MR-Geräten ermöglicht werden oder zahlreiche denkbare weitere technische Entwicklungen integrierter Modalitäten.

Kernspin-Magnetresonanz-Bildgebung (Nuclear Magnetic Resonance Imaging, MRI) ist eine bildgebende Routinemethode in der medizinischen Diagnostik, die nichtinvasiv und ohne ionisierende Strahlung arbeitet. Dabei werden natürlich Gewebe vorhandenen Atomkerne des Wasserstoffs (H), v.a. von Wasser aber auch z.B. Fett, genutzt um mit Hilfe ihrer magnetischen Eigenschaften Bildinformation zu gewinnen. Darüber hinaus kann mit Kernspinresonanz Information über die Umgebung der Atomkerne in den Molekülen gewonnen werden, man spricht dann von NMR-Spektroskopie (MRS). Man kann so die Magnetresonanz zur berührungsfreien Untersuchung von biochemischen Vorgängen im Körper einsetzen. Obwohl meist die Wasserstoffkerne im Körper genutzt werden, funktionieren Bildgebung und Spektroskopie auch mit anderen Elementen (z.B. Phosphor, P) ist dann allerdings weniger empfindlich. Diese sogenannte Multikern- oder "X-nuclear" NMR eröffnet dafür einen erweiterten Blickwinkel auf metabolische Vorgänge im untersuchten Gewebe. Insgesamt bieten unterschiedliche NMR-Methoden eine beeindruckende Vielseitigkeit an Untersuchungen mit ein- und demselben MR-Gerät. Interessanterweise können im Prinzip zwei oder auch mehrere unabhängige Untersuchungen mit verschiedenen Kernen gleichzeitig durchgeführt werden, da sich diese gegenseitig nicht oder kaum beeinflussen. Der praktische Vorteil dieses Ansatzes ist eine verbesserte Ausnutzung der Messzeit, bzw. eine Reduktion der Zeit, die der Patient im Scanner verbringt. Darüber hinaus bietet die gleichzeitige Erfassung komplementärer Information während eines einzelnen metabolisch-dynamischen Vorgangs natürlich einen wissenschaftlich- diagnostischen Mehrwert zur Charakterisierung des physiologischen oder pathologischen Zustandes. Solche simultane, bzw. ineinander "verschachtelte" Multikern-NMR stellt jedoch eine technische Herausforderungen an den MR-Scanner und wurde deshalb bisher nur in wenigen Forschungsgruppen die über speziellen Spektrometer-Konfigurationen verfügen realisiert. In diesem Projekt haben zwei Gruppen, eine in Österreich, eine in Frankreich, zusammengearbeitet um simultane Multikern-NMR-Techniken weiter voranzutreiben und breiter zugänglich zu machen. Das Hauptziel dabei war, eine auf H MR-Bidlgebung basierend Bestimmung der Durchblutung von Muskeln mit der gleichzeitigen Messung von P MR-Spektren zu kombinieren. Damit können nun Eigenschaften des Muskelstoffwechsels, der ja eng mit Durchblutung verbunden ist, besser untersucht werden. Über diesen Schritt hinausgehend war ein Ziel des Projekts, die generelle Methode, zwei Kerne in einer einzigen MR-Aufnahme zu messen, weg von spezialisierten Forschungsanwendungen und hin zu konventionellen klinischen MR-Scannern zu transportieren und damit seine Anwendung und Verbreitung im größeren Stil zu ermöglichen. Dazu war auf einigen MR-Geräten technische Adaptionen notwendig, die ebenfalls in diesem Projekt verbessert wurden. Alle entwickelten Methodiken wurden publiziert und die Kooperationspartner unterstützen derzeit, weiteren Forschungsgruppen aktiv bei der Umsetzung der Technik. Dieses Projekt eröffnet eine Reihe neuer Perspektiven der Forschung, sei es im Zusammenhang mit physiologischen Anwendungen die durch verschachtelte Multikern-NMR auf klinischen MR-Geräten ermöglicht werden oder zahlreiche denkbare weitere technische Entwicklungen, in denen die verschiedenen Methoden kombiniert werden.