Bestimmung des pH-Werts im Herzmuskel mit 7T 31P MRS

Erkrankungen des Herzkreislaufsystems gehören zu den häufigsten Todesursachen in Europa. Störung der Durchblutung und andere Krankheitsbilder des Herzmuskels führen zu Veränderungen im Stoffwechsel und Abweichungen im Säure-Base Gleichgewicht der Zellen, ausgedrückt als pH- Wert. Einespezielle AnwendungderKernspinresonanztomographie (MRT), die Phosphorspektroskopie (31P MRS), kann dazu verwendet werden, den zellulären pH-Wert aus dem Signal der anorganischen Phosphate (Pi) zu bestimmen. Pi hat eine Resonanzfrequenz, die eindeutig vom pH-Wert abhängt. Dies wird in Geweben wie dem Hirn oder dem Skelettmuskel seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich praktiziert. Unglücklicherweise ist die Pi Resonanz im Herzmuskel von Signalen aus dem Blut (2,3-Diphosphoglyzerat, DPG) überdeckt. Die letzten bestenfalls teilweise erfolgreichen Versuche, Pi im Herzmuskel zu messen sind über 20 Jahre alt, nur in einem Bruchteil der untersuchten Probanden konnte der pH-Wert bestimmt werden. Im Rahmen dieses Projekts werden Techniken entwickelt, die die eindeutige Messung von Pi ermöglichen. Eine Voraussetzung dafür ist die Trennung der Pi und DPG Signale. Dafür wird die Tatsache genutzt, dass ein großer Teil des Blutes in den Kammern bei jedem Herzschlag getauscht wird. Techniken, die sensitiv auf Geschwindigkeit bzw. Bewegung reagieren, werden routinemäßig in der MRT genutzt, um zum Beispiel Gewebsdurchblutung zu messen oder in einer Angiographie. Um Pi von DPG zu trennen, werden die Spins markiert, dann wird mindestens ein Herzschlag abgewartet, bevor das Signal aufgenommen wird. Dadurch hat ein Großteil des Blutes die Region verlassen, somit auch DPG, nur die Signale aus dem Herzmuskel darunter Pi bleiben übrig. Eine weitere Herausforderung ist, dass Pi eine niedrige Konzentration und daher ein schwaches Signal hat. Jedoch hat sich seit den letzten Versuchen, pH im Herzen zu messen, die Technologie bei Magneten (7 T) und Detektoren (Array Spulen) stark weiterentwickelt, sodass das Signal zu Rauschverhältnis heute ca. 10 mal so hoch ist. Installiert sind diese modernen Systeme in beiden Zentren, die an diesem Projekt beteiligt sind, dem der Medizinischen Universität Wien und jenem der Universität Oxford, Dieses Projekt ist ambitioniert, jedoch ist die Wichtigkeit einer direkten nicht-invasiven pH- Wertbestimmung für die Forschung und Diagnose von Herzkrankheiten von großer Bedeutung und wird diese sehr erleichtern und voranbringen. Auf lange Sicht ist zu erwarten, dass dieses Projekt signifikant zur Förderung der österreichischen und europäischen Gesundheit sowie der Verbesserung des Gesundheitsversorgung bei.

Erkrankungen des Herzkreislaufsystems gehören zu den häufigsten Todesursachen in Europa. Störung der Durchblutung und andere Krankheitsbilder des Herzmuskels führen zu Veränderungen im Stoffwechsel und Abweichungen im Säure-Base Gleichgewicht der Zellen, ausgedrückt als pH- Wert. In diesem Projekt wurden Techniken entwickelt und erfolgreich angewandt um den pH Wert und andere Parameter des Energiestoffwechsels im Herzmuskel mittels Kernspinresonanz (MRT) zu bestimmen. Eine spezielle Anwendung der Kernspinresonanztomographie (MRT), die Phosphorspektroskopie (31P MRS), kann dazu verwendet werden, die Kinetik der Hochenergiephosphate wie Phosphorkreatin (PCr) oder Adenosintriphosphat (ATP) sowie des pH- Wert aus dem Signal der anorganischen Phosphate (Pi) zu bestimmen. Diese Art der pH-Wertbestimmung wird in Geweben wie dem Hirn oder dem Skelettmuskel seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich praktiziert. Unglücklicherweise ist die Pi=Resonanz im Herzmuskel von Signalen aus dem Blut (2,3- Diphosphoglyzerat, DPG) überdeckt. Die bis dato letzten bestenfalls teilweise erfolgreichen Versuche, Pi im Herzmuskel zu messen sind über 20 Jahre alt, nur in einem Bruchteil der untersuchten Probanden konnte der pH-Wert bestimmt werden. Die Stimulierte Echo Akquisitionsmethode (STEAM) ist bekannt dafür, Blut in MRT Bildern dunkel erscheinen zu lassen und konnte somit zur Unterdrückung der DPG Signale genutzt werden. Wir konnten in diesem Projekt erstmals Pi ohne Überlappung durch DPG messen und pH verlässlich quantifizieren. Eine weiere große Herausforderung ist die niedrige Konzentration von Pi und das resultierende schwache MR-Signal. Jedoch hat sich die Technologie bei Magneten (7 T) und Detektoren (Array Spulen) stark weiterentwickelt, sodass das Signal- Rausch-Verhältnis drastisch erhöht werden konnte. Installiert sind diese modernen Systeme in beiden Zentren die an diesem Projekt beteiligt sind, dem der Medizinischen Universität Wien und jenem der Universität Oxford. In diesem ambitionierten Projekt konnten wir eine neue Methode entwickeln, Pi und pH zu messen und in insgesamt ca. 30 gesunden Menschen und Patienten anwenden. Wir haben dies nicht nur unter Ruhe sondern erstmals auch während Dobutamin-Infusion (ein in der Kardiologie routinemäßig eingesetzter Stresstest) im 7 T MRT Scanner an Patienten mit Diabetes mellitus oder dilatierter Kardiomypathie erfolgreich durchgeführt. Damit ergeben sich neue Marker, insbesondere pH und Pi, für die Erforschung kardiovaskulärer Erkrankungen, die das Potenzial haben, sensitiver als PCr und ATP zu sein. Langfristig wird dies zu verbesserter Diagnose und Behandlung von Herzkrankheiten beitragen.