X-Kern Spektroskopie

Der Energieumsatz im Skelettmuskel ändert sich je nach Beanspruchung um Größenordnungen. Die Erholungsphase nach Belastung des Muskels ist geeignet, um mittels ³¹P MRS in situ die zelluläre Mitochondrienfunktion, Glykolyse und Protonen-Kinetik zu untersuchen. Wir entwickeln kombinierte Bildgebungs- und Spektroskopietechniken, um Adenosintriphosphat-Resynthese (ATP), Phosphokreatin (PCr) und pH im arbeitenden Muskel direkt und mit Zeitauflösungen von wenigen Sekunden zu messen.

Die hohe Sensititvität unserer MR-Geräte und RF-Spulen (teilweise eigene Entwicklungen) sowie Aufnahmetechniken ermöglicht es dabei, auch lokale Unterschiede zu erfassen, d.h. muskel-spezifische Daten zu erhalten.

Aus zeitaufgelösten ³¹P MR-Spektren können Kenngrößen der oxidativen ATP-Resynthese abgeleitet werden. Diese sind bei körperlicher Aktivität aber auch von der Durchblutung und dem Sauerstoffgehalt des Blutes abhängig. Da Perfusion und Blut-Oxygenierung mittels MR-Bildgebung (MRT) ebenfalls gemessen werden können, lässt sich durch die Kombination von ³¹P MRS mit ¹H MRT ein vollständigeres Bild des Stoffwechsels bei Muskelbelastung erhalten.

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Links: ³¹P MR-Spektren, Zeitverlauf von Phosphorkreatin (PCr) und anorganischem Phosphat (Pi), rechts: Quantifizierte Perfusion und T₂*-gewichtete Bilder. Alle Daten wurden gleichzeitig (interleaved), während eines einzigen Messdurchgangs mit multi-Kern MR-Methoden aufgenommen.

Die Ergebnisse der MRT-basierten Perfusionsmessungen zeigten dass sowohl Durchblutung als auch der Signalanstieg in T₂*-gewichteten Bildern mit Phosphorkreatin- und pH-Abfall korrelieren, welche in derselben Messung mit lokalisierter ³¹P MRS an zwei definierten Positionen entlang des Gastrocnemius (eines Muskels in der Wade) bestimmt wurden.  Dabei waren die Änderungen durchwegs signifikant stärker in proximalen als in distalen Regionen innerhalb des selben Muskels.

³¹P und ¹H MRS-Daten können in einer einzigen – auch zeitaufgelösten – Messung aufgenommen werden. Dies kann zum einen die Zeiteffizienz erhöhen, vor allem aber bieten die unterschiedlichen Datensätze sich ergänzende Informationen aus einer einzigen Messung, die z.B. während der Bewegung eines Muskels gewonnen wird.  Diese Kombination von komplementären MR-Methoden in einer einzigen Messung ermöglicht es, ein vollständigeres Bild des Stoffwechsels unter den exakt gleichen Bedingungen zu erhalten.

Diese halbzylinderförmige Spule verfügt über 2 Kanäle für ¹H-Bildgebung und 3 Kanäle für ³¹P-Spektroskopie (und Bildgebung) und ermöglicht die Untersuchung des Stoffwechsels energiereicher Phosphate im Wadenmuskel. Die Spule wurde anhand von speziell angefertigten digitalen Wadenmodellen mittels elektromagnetischer Simulationen optimiert.

Aufgrund ihres hervorragenden Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wurden mit dieser Spule bereits zahlreiche Studien zur Muskelphysiologie durchgeführt.

Die Kohlenstoff-13-Spektroskopie kann wichtige Einblicke in den Stoffwechsel im Körper liefern, da die biologisch relevanten Moleküle Kohlenstoff enthalten. ¹³C MRS ist stellt jedoch große Herausforderungen an die Messung, da der MR-sensitive ¹³C Kern eine sehr geringe intrinsische Sensititvität aufweist und nur in sehr geringer Konzentration im Körper vorkommt (nur 1,1 % des natürlichen Isotopengemischs sind ¹³C, der überwiegende Anteil von 98,9 % ist ¹²C). Weiters sind die meisten der im MR-Spektrum on ¹³C vorkommenden Resonanzen durch Wechselwirkung mit den Wasserstoff-Atomen des Moleküls in Multiplett-Linien aufgespalten, und das ¹³C-Spektrum deckt einen sehr weiten Bereich ab.

Wir konnten mit einer ¹H-entkoppelten ¹³C MRS Pulssequenz und mit Hilfe einer speziell für diese Anwendung gebauten RF-Spule zeigen, dass es Bei 7 Tesla möglich ist, das natürliche Signal von Glykogen im Muskel zu detektieren. Die ¹H-Entkopplung war effektiv, und eine Reduktion des Glykogen-Signals durch Muskel-Aktivierung konnte nachgewiesen werden.

Die Kohlenstoff-13-Spektroskopie kann durch die Messung von Glykogen und Glukose Einblicke in den Zuckerstoffwechsel im Körper liefern. Aufgrund der Natur des ¹³C-MR-Signals sind diese Signale in verschiedene Frequenzen aufgeteilt, was die Datenanalyse erschwert. Dies kann durch Senden mit der ¹H-Larmorfrequenz bei gleichzeitigem Empfang des ¹³C-Signals unterbunden werden, eine Technik, die als „Protonenentkopplung“ bekannt ist. Für den Spulenbauer bedeutet dies, dass äußerst effiziente Filter (~100 dB) in die Spule eingebaut werden müssen, um ein Übersprechen zwischen dem starken ¹H-Sendesignal und dem sehr kleinen ¹³C-MR-Signal zu vermeiden. Die von uns entwickelte Spule erfüllt dieses Kriterium und bietet vier Sende-/Empfangskanäle für ¹H kombiniert mit drei Sende-/Empfangskanälen für ¹³C.

Deuteriumbildgebung ist eine besondere Form der MRT, mit der man nicht nur die Form und Struktur von Organen sieht, sondern auch verfolgen kann, wie der Körper bestimmte Stoffe verarbeitet. Dafür trinken Personen zum Beispiel Glukose, die mit Deuterium markiert ist, also einer harmlosen schweren Form von Wasserstoff. Anschließend kann man sichtbar machen, wo diese Glukose im Körper aufgenommen und in welche Stoffwechselprodukte sie umgewandelt wird. Das ist neu und spannend, weil man Stoffwechselprozesse im lebenden Menschen räumlich aufgelöst, nicht-invasiv und ohne radioaktive Substanzen untersuchen kann. Im Vergleich zur normalen MRT zeigt die Deuteriumbildgebung also eher, was im Gewebe biologisch passiert. Im Vergleich zur PET, die heute häufig zur klinischen Stoffwechselbildgebung eingesetzt wird, kommt sie ohne radioaktive Tracer aus und könnte dadurch neue, schonendere Möglichkeiten für Forschung und Klinik eröffnen.

Wir entwickeln neue Methoden für die Deuteriumbildgebung, um die räumliche Auflösung zu erhöhen, die Messzeit zu verkürzen und die Sensitivität der Messungen weiter zu verbessern. Das ist besonders wichtig, weil Deuterium-Signale im Körper sehr schwach sind und daher technisch anspruchsvoll gemessen werden müssen. Durch optimierte Aufnahmeverfahren, schnellere 3D-Messungen und verbesserte Rekonstruktionsmethoden möchten wir Stoffwechselprozesse künftig präziser, schneller und zuverlässiger sichtbar machen. In weiterer Folge wollen wir daraus quantitative Biomarker ableiten, die messbare Hinweise auf krankhafte Veränderungen liefern können, z.B. bei Hirntumoren, neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson, Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Nieren- und Lebererkrankungen. Ein weiteres Ziel ist es, die Anwendung von Deuteriumbildgebung über die derzeit überwiegend durchgeführten Gehirnmessungen hinaus auf zentrale Organe wie Herz, Niere, Leber und Muskelgewebe auszuweiten und langfristig auch Ganzkörper-Deuterium-Messungen in einer einzigen Untersuchung zu ermöglichen.