Bestimmung der Herzeffizienz mittels MRS und Elastographie

Erkrankungen des Herzens zählen zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Das Herz ist eine Wärmekraftmaschine welche chemische Energie aus der Spaltung energiereichen Phosphaten wie Adenosintriphosphat (ATP) und Phosphokreatin (PCr) in Kontraktionsarbeit um Blut durch den Kreislauf zu pumpen. Wie alle Wärmekraftmaschinen, geht ein Teil der eingesetzten Energie als Wärme verloren. Das Verhältnis von geleisteter Arbeit zu eingesetzter Energie, in diesem Fall die freie Enthalpie der ATP Aufspaltung, nennt man thermodynamische Effizienz des Herzmuskels. Diese ist ein etablierter Parameter der Leistungsfähigkeit des Herzens, welcher in einer Reihe von Erkrankungen gestört ist, die oftmals zu Herzinsuffizienz führen. Der Pumpvorgang des Herzens ist ein sich wiederholender Kontraktions- und Relaxationsprozess. Die mechanische Arbeit der Herzkammer entspricht der umschlossenen Fläche im Druck- Volumsdiagramm. Dieses Diagramm veranschaulicht kompakt die Biomechanik der Herzkammer. Während Herzmuskel- und Kammervolumen aus filmischen Magnetresonanztomographien (MRT) gewonnen werden können, benötigt die Bestimmung des Ventrikeldrucks traditionellerweise einen Herzkatheter. In diesem Projekt werden Methoden entwickelt, mit denen der Kammerdruck aus MR- Elastographiedaten bestimmt wird. Ein sehr klarer linearer Zusammenhang zwischen Kammerdruck und Herzmuskelsteifigkeit konnte gezeigt werden. Während der Systole (Kontraktion) ist der Herzmuskel angespannt und steif, während der Diastole erschlafft der Muskel und erlaubt somit die Füllung. Das Laplacesche Gesetz gibt einen Zusammenhang zwischen Druck und Spannung in einer dünnen Kugelschale an. Ziel ist es, mittels eines verfeinerten Modells, Druck-Volumsdiagramme aus Steifigkeits- und Verformungskurven zu bestimmen. Die benötigte Energie für die Kontraktion des Herzmuskels stammt das der Aufspaltung von ATP. Verbrauch von ATP verringert das Phosphorylierungspotential und erhöht die negative freie Enthalpie. Wenn letztere bestimmte Schwellwerte überschreitet, werden einige Reaktionen energetisch unvorteilhaft und das Herz hört auf zu schlagen. Vor kurzem haben wir Techniken der Phosphor-magnetresonanzspektroskopie (31P MRS) entwickelt, die alle notwendigen Parameter nicht-invasiv im menschlichen Herzen messbar machen, um die freie Enthalpie zu berechnen. Insbesondere betrifft das Signal des anorganischen Phosphats, ein Produkt der Spaltung von ATP, aus welchem auch der zelluläre pH-Wert bestimmt wird. Obwohl das Konzept der Herzmuskeleffizienz schon lange sehr gut verstanden ist, fehlt bislang eine nichtinvasive Bestimmung der Energieversorgung und der geleisteten Arbeit. Ziel dieses Projekt ist es, die gleichzeitige Bestimmung der freien Enthalpie und Druck-Volumsarbeit mittels verschachtelter Messung von MRT und 31P MRS in einer klinisch vertretbaren Zeit zu ermöglichen. Anwendung von Dobutamin um den Herzmuskel stärker arbeiten (Stress) zu lassen, und somit seine Funktion unter Belastung zu bestimmen, ist gängige kardiologische Praxis. Die Herzmuskeleffizienz wird deshalb nicht nur in Ruhe sondern auch während Bewegung im Tomograph oder eben während Dobutamininfusion bestimmt. Dieses Projekt adressiert gegenwärtige Limitierungen der kardiovaskulären Forschung und Diagnose und wird diese um einige Schritte vorwärts bringen.