Forschung über den menschlichen Metabolismus mit Magnetresonanz
Einführung
Routine-MRT liefert üblicherweise strukturelle Bilder unseres Körpers um die Diagnose von Krankheiten zu ermöglichen. Doch an der anatomischen Struktur alleine lässt sich nicht jede Krankheit klar erkennen. In der Stoffwechselbildgebung arbeiten wir daran statt der Struktur biochemische Prozesse und Konzentrationen von anderen Molekülen als Wasser sichtbar zu machen.
Dazu müssen wir allerdings Signale messen die Zehnerpotenzen kleiner sind als das Wassersignal, da die Konzentrationen von Molekülen wie Glukose oder Cholin viel geringer sind. Wir können auch andere Kerne als Protonen, sogenannte X-Nuclei, als Ziel auswählen. X-Nuclei sind zum Beispiel Phosphor, Deuterium, Kohlenstoff 13 oder Natrium. Ihr Vorteil ist dass die Messung nicht vom Wassersignal beeinflusst wird und sie außerdem weitere Teile vom Metabolismus sichtbar machen.
Wie machen wir den Stoffwechsel sichtbar?
Die wichtigste Methode um Stoffwechsel nicht-invasiv zu messen ist die MR-Spektroskopie. Bei dieser werten wir wie im oberen Beispielbild die Resonanzen von anderen Molekülen als Wasser aus. Die verschiedenen Moleküle haben eigene Resonanzfrequenzen die aber oft überlappen und so ein Spektrum mit vielen Peaks bilden. Diese Signale werden dann mit spezieller Software ausgewertet um die Konzentrationen der einzelnen Moleküle zu bestimmen. MR-Spektroskopie wird entweder in einem einzelnen Volumenselement (Voxel) gemacht um Moleküle besser auseinanderzuhalten oder in Kombination mit Techniken aus der Bildgebung als MR-spektroskopische Bildgebung die es uns erlaubt Stoffwechselbilder aufzunehmen.
Je nach Körperteil und gemessenem Kern beinhaltet das Spektrum andere Substanzen, die sich auch durch Krankheiten verändern können. Während wir im Gehirn Moleküle messen die mit der normalen Funktion von Nervenzellen oder Tumormetabolismus zusammenhängen, liegt der Schwerpunkt in Muskeln auf der Phosphorspektroskopie und Molekülen wie Phosphokreatin und ATP, die den Energieverbrauch der Muskelzellen wiedergeben.
Anwendungen und Herausforderungen
An unserem Zentrum verwenden wir Stoffwechselmethoden sowohl für klinische als auch Grundlagenstudien zum Verständnis des menschlichen Körpers: Gehirn, Muskeln, Herz, Leber, und andere Organe werden von uns erforscht, zum Beispiel um Stoffwechselerkrankungen, Krebs, Epilepsie, neurodegenerative Erkrankungen besser zu verstehen.
Was Methoden wie die MR-Spektroskopie besonders herausfordernd macht sind lange Messzeiten und niedrige Auflösungen bedingt durch das geringere Signal gegenüber strukturellem MRT. Als Folge sind Artefakte durch Bewegung oder die Einstreuung von ungewollten Signalen wie von Fettmolekülen eine Herausforderung die weitere Methodenentwicklung notwendig macht.
Detaillierte technische und wissenschaftliche Erklärungen finden sich auf den folgenden Unterseiten.
