Die Röhre schafft alle: Bier, Urin, Hirn - wissenschaft.de
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Die Röhre schafft alle: Bier, Urin, Hirn

Magnetresonanz macht Verborgenes sichtbar: Sie entlarvt Fruchtsaftpanscher, hilft bei der Erschließung von Ölfeldern und blickt tief hinein ins Gehirn.

30 Grad, die Sonne brennt – unsere Kehlen auch. Zum Mittagessen beim Italiener genehmigen wir uns ein Weizenbier der Marke Hatz. So steht es auf dem Glas. Ob das kühle Nass tatsächlich aus der Brauerei im badischen Rastatt stammt, vermag der Gaumen nicht zu entscheiden. Einen Steinwurf entfernt an seinem Arbeitsplatz bei der Firma Bruker BioSpin GmbH in Rheinstetten bei Karlsruhe wäre das für Eberhard Humpfer eine leichte Übung. 80 verschiedene Biersorten hat der Chemiker analysiert: Stammwürze, Alkoholgehalt, Lactat, Polyphenole – auf Knopfdruck liefert der Computer mehrere Hundert Parameter. Humpfer kennt das Bier in seiner Datenbank wie seine Westentasche: „Jedes Bier hat einen individuellen Fingerabdruck“, sagt er. Denn industriell gebrautes Bier wie Guinness hat immer eine ähnliche Qualität, egal ob es in London oder Dublin hergestellt wurde. Kleine Hausbrauereien liefern dagegen Bier mit größeren analytischen und geschmacklichen Varianten.

Was unsere Sinne nicht können, leistet die NMR-Technik. NMR steht für Kernmagnetresonanz (Nuclear Magnetic Resonance). Kreiselnde Protonen in den Atomkernen senden Energie aus, wenn sie zuvor in einem Hochfrequenzmagnetfeld angeregt wurden. Die Änderung dieses Energieabfalls mit der Zeit lässt sich messen und als Spektrum bei der NMR-Spektroskopie oder als Abbildung bei Magnetresonanztomographen darstellen. Letztere, landläufig auch Kernspintomographen genannt, erzeugen faszinierende Bilder aus dem Körperinneren – oder liefern eben das Protonen-NMR-Spektrum von Bier.

Neue Anwendungsfelder für die NMR-Geräte spürt Manfred Spraul auf, Direktor für NMR-Anwendungen bei Bruker – offenbar mit Erfolg. Das Unternehmen, das 1960 gegründet wurde, ist heute mit rund zwei Dritteln Marktanteil Weltmarktführer für NMR-Geräte zu Analysezwecken – „weil wir zehn Prozent des Umsatzes in die Entwicklung stecken“, sagt Spraul.

Bruker benutzt die NMR-Spektroskopie zum Beispiel, um im Urin von Neugeborenen frühzeitig genetische Erkrankungen zu finden. Oft kann durch eine rechtzeitige Diät eine vollständige Heilung erreicht werden, bei zu später Diagnose kommt es dagegen fast immer zu schweren, lebenslangen Behinderungen. Die Bruker-Methode schafft bis zu 2000 Proben pro Tag. Dabei wird automatisch entschieden, ob eine Probe auffällig ist oder nicht. Angestrebt sind Kosten von unter zehn Euro pro Probe – das wäre die Hälfte von dem, was man derzeit für ein Neugeborenen-Screening bezahlen muss. Die Früherkennung ist auf jeden Fall billiger als die Behandlung der Krankheiten, betont Spraul.

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Einen boomenden Markt sieht Spraul auch in der Lebensmittelbranche. Dort gilt die Devise: Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser. Wie etwa kann es sein, dass in Spanien mehr Orangensaft abgefüllt wird, als es Orangen gibt? Die EU-Behörden wittern Subventionsbetrug und lassen mit NMR prüfen, ob die Orangen tatsächlich von der Iberischen Halbinsel stammen oder aus Nicht-EU-Ländern. Die Fruchtsafthersteller wollen wissen, ob Qualität und Herkunft der Ausgangsprodukte mit den Papieren übereinstimmen. Auch wenn sich die Moleküle nur in der Position eines Wasserstoff-Atoms unterscheiden – das NMR-Spektrum zeigt dies unerbittlich und unterscheidet so unter anderem Orangensäfte aus Konzentrat von direkt gepressten Säften.

Ein Trend ist die Koppelung von NMR-Technik mit Flüssigkeits-Chromatographen und Massenspektroskopen, die ebenfalls bei Bruker gefertigt werden. NMR gibt wertvolle Hinweise auf die Struktur, die mit den anderen Methoden so nicht gewonnen werden können. Mit der Koppelung dieser Methoden wird für manchen Analytiker ein Traum wahr.

Unschlagbar ist die NMR-Technik, wenn es um bildgebende Verfahren geht. Detektoren messen dann am lebenden Objekt nicht nur, ob bestimmte Moleküle vorhanden sind, sondern auch, von welchem Ort der Probe das Signal stammt. Ein Computer setzt die Ortsinformationen zu einem Bild zusammen. Bruker hat sich auf Objekte spezialisiert, die nicht größer als eine Ratte sind. In Einzelfällen sind auch Untersuchungen an größeren Objekten bis hin zum Menschen möglich. Kleinere Tiere kommen in eine Röhre und werden einem Magnetfeld von bis zu 22 Tesla ausgesetzt – etwa 440 000-mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Damit lassen sich dynamische Prozesse wie die Diffusion von Medikamenten im Gehirn beobachten und Tierversuche ersetzen, bei denen die Tiere seziert werden müssten. Auch eine Spinne war schon 24 Stunden in der Röhre und wurde beim Spinnen ihrer Fäden beobachtet.

Die Bilder werden immer schärfer. „Typische Anwendungen in der Mikroskopie haben eine Auflösung von ein paar Dutzend Mikrometern, klinische Anwendungen liegen bei wenigen Hundert Mikrometern“, sagt Thomas Oerther, bei Bruker zuständig für Anwendungen in der Mikrobildgebung. Begrenzt wird die Auflösung durch die Zahl der Spins pro Bildpixel. Eine weitere Limitierung ist die Wanderung der Atomkerne. Wasserstoffkerne – und damit deren Spins – wandern in Wasser etwa ein bis zwei Mikrometer pro Millisekunde, was bei sehr hohen Auflösungen extreme Anforderungen an die Technik stellt. Die bietet allerdings noch jede Menge Potenzial. Durch das Abkühlen der Detektionsspule mit Helium auf zirka minus 250 Grad Celsius oder die Anwendung mehrerer paralleler Sende- und Empfangsspulen wurde die Empfindlichkeit deutlich gesteigert und die Messzeit verringert. Heute liegt die Grenze zum Nachweis eines Stoffs bei etwa zehn Milliardstelgramm.

Bruker-Kunden kommen mit den skurrilsten Anfragen. Ein Teigwarenproduzent ließ beobachten, wie das Wasser beim Kochen von Spaghetti in die Nudeln gesogen wird. Ergebnis: Bei „al dente“ ist das Wasser gerade bis in die Mitte der Nudel vorgedrungen. Das Aufgehen von Teig und das Backen von Brot wurden ebenfalls mit NMR untersucht, und auch wie eine Tablette in Magensaft zerfällt.

Anders als bei solchen Untersuchungen kommt es bei den für den klinischen Einsatz entwickelten Magnetresonanztomographen von Siemens stark auf das Äußere an: „Das Design ist für die Patientenakzeptanz sehr wichtig“, sagt Britta Fünfstück, bei Siemens Medical Solutions fürs Magnetresonanz-Marketing zuständig. Viele Patienten fühlen sich unwohl, wenn sie in eine enge Röhre geschoben werden. Ein modernes UFO-Design kann hier Ängste abbauen (siehe auch „Hannah in der Röhre“ in „bdw plus: Gesundheit 2010″, Beilage in bild der wissenschaft 12/2003). Doch Design ist nicht alles – die Siemens-Ingenieure haben es vor allem mit raffinierter Technik geschafft, die Untersuchung patientenfreundlicher zu machen.

Ein großer Fortschritt ist die Tim (Total Imaging Matrix)-Technik, die seit 2004 in den neuesten Kernspintomographen made in Erlangen zum Einsatz kommt: Bis zu 102 Empfangsspulenelemente werden auf dem Patienten platziert oder sind in der fahrbaren Liege versteckt und erlauben einen Ganzkörperscan in weniger als zwölf Minuten – ohne dass der Patient umgelagert werden muss oder die Spulen umsortiert werden müssen. Patienten bis 2,05 Meter Größe können untersucht werden. Damit sei man der Konkurrenz technologisch weit voraus, sagt Fünfstück.

Weltweit werden jedes Jahr insgesamt etwa 3000 Geräte verkauft, mehr als ein Drittel vom Marktführer Siemens, etwas weniger von General Electric, Dritter im Bunde ist Philips. Gut 800 Geräte der Modelle Magnetom Avanto und Symphony verkauft Siemens pro Jahr. Ende 2004 kam noch die offene Version Espree hinzu, die mit 70 (statt wie sonst üblich 60) Zentimeter Röhrendurchmesser insbesondere für den amerikanischen Markt entwickelt wurde und übergewichtigen Patienten und Menschen mit Klaustrophobie mehr Raum gibt. Seit 2005 gibt es auch das erste 3-Tesla-System mit Tim-Technologie. Das Magnetom Trio öffnet viele Anwendungen, die bisher der Forschung vorbehalten waren, für die klinische Routine.

Kernspintomographen in Kliniken liefern heute dreidimensionale Aufnahmen von Gehirn, Rückenmark, Knorpel und Organen, auf denen Details kleiner als ein Millimeter sichtbar sind. Da wirkt die Technik unter der Haube vergleichsweise grobschlächtig: Der massige Magnet aus 35 Kilometern Draht stammt aus England, die Gradientenspulen aus bleistiftdicken Drahtbündeln werden im Erlanger Werk in Epoxidharz vergossen. Sie müssen später Ströme von 500 Ampere aushalten und werden deshalb mit Wasser gekühlt. Für den Hauptmagneten reicht Wasser zur Kühlung nicht aus. Seine Drähte sollen den Strom verlustfrei leiten und werden deshalb mit Helium auf minus 270 Grad Celsius abgekühlt – eine Temperatur, bei der das Material der Drähte (meist eine Legierung aus Niob und Titan oder Niob und Zinn) supraleitend ist. Kurz vor der Auslieferung wird der Kernspintomograph „kalt gefahren“. Eine Heliumfüllung reicht bis zur Verschrottung nach rund zehn Jahren – sofern das rhythmische Zwitschern der Kühlpumpe niemals verstummt, die das Helium ständig auf Temperatur hält.

Wie in der Formel-1 ist auch in der Magnetresonanz-Branche ein technologisches Wettrüsten im Gang. Maßstab sind dabei nicht Pferdestärken, sondern Empfangselektronik und die Magnetfeldstärke gemessen in Tesla. Moderne Modelle für Anwendungen in der Medizin arbeiten heute meist mit 1,5 oder 3 Tesla sowie mit einer ausgeklügelten Empfangselektronik wie der Tim-Technologie. Je höher die Feldstärke, um so besser ist das Verhältnis aus Signal und Rauschen, um so feiner ist die Auflösung der Bilder aus dem Körperinnern – und um so tiefer muss die Klinik in die Tasche greifen: Zwischen 1 und 2,5 Millionen Euro sind für einen Magnetresonanztomographen fällig – je stärker das erzeugte Magnetfeld, desto teurer die Maschine. Allerdings verkürzt sich mit steigender Feldstärke auch die Messzeit: 30 oder mehr Patienten schafft ein moderner Kernspintomograph pro Tag. Die Anschaffung der Geräte lohnt sich also, auch wenn die Kliniken in Deutschland von den Krankenkassen nur 200 bis 250 Euro pro Untersuchung erstattet bekommen – in den USA ist es fast das Doppelte.

In der Forschung werden bereits höhere Feldstärken genutzt, etwa am Forschungszentrum Jülich, das einen 4-Tesla-Magnetresonanztomographen besitzt. Mit ihm beobachten die Wissenschaftler dort Stoffwechselprozesse im Gehirn. Wenn Sie den Finger bewegen, um dieses bdw-Heft durchzublättern, verbraucht ihr Gehirn Sauerstoff, der sich bei einer Messung in der Jülicher Maschine an einer bestimmten Stelle im Gehirn orten lassen würde. Das Gleiche gilt für das Element Natrium, das Nervenzellen zur Signalübertragung nutzen. In Minutenschnelle liefert der Tomograph Bilder, auf denen Störungen der Durchblutung oder des Natriumtransports zu sehen sind. In einigen Jahren, so die Hoffnung der Jülicher Forscher, werden solche Apparate in allen Kliniken stehen. Dann könnten Patienten mit Schlaganfall auf eine schnellere Diagnose hoffen.

Doch 4 Tesla sind nicht das Ende der Fahnenstange. Seit Februar 2005 steht am Leibniz-Institut für Neurobiologie an der Uniklinik in Magdeburg ein 7-Tesla-Magnetresonanztomograph von Siemens – der erste seiner Art in Europa. Der Koloss bringt 32 Tonnen auf die Waage und erzeugt mit einer 400 Kilometer langen supraleitenden Spule ein Feld, welches 140 000-mal so stark ist wie das Erdmagnetfeld. Die Magdeburger Mediziner sind begeistert: Die Messungen machen Details von unter 100 Mikrometer – einem Zehntelmillimeter – sichtbar. Dabei ist der Apparat so schnell, dass er Stoffwechselprozesse im Gehirn – und damit das Denken – quasi in Echtzeit beobachten kann. Ziel ist es, Karten des Gehirns aufzuzeichnen, um mit deren Hilfe degenerative Krankheiten wie Alzheimer zu heilen.

In ein paar Jahren will Siemens sogar die Schallmauer von 10 Tesla durchbrechen. Für die französische Atomenergiebehörde CEA arbeitet man an einer Studie für einen 11,7-Tesla-Tomographen, durch den einzelne Zellen sichtbar werden.

Doch größer ist in der NMR-Technik nicht immer besser. Das Zentrum für magnetische Resonanz der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen setzt bewusst einen Kontrapunkt zum Größer-Schneller-Teurer-Trend in der Medizin. Die Wissenschaftler haben eine „NMR-Maus“ entwickelt, die tatsächlich kaum größer ist als eine Computermaus. Sie soll nicht Krankheiten von Menschen, sondern von Materialien aufspüren, zum Beispiel von Kunststoffrohren, Autoreifen, Klebstoffen, alten römischen Fresken oder Ackerböden. Die NMR-Maus wird einfach auf die Probe gelegt und erzeugt Schnittbilder aus bis zu fünf Millimeter Tiefe.

Das texanische Unternehmen Schlumberger, das Ausrüstung zur Erschließung von Ölfeldern baut, hat eine ähnliche Sonde entwickelt. In einem Zylinder von der Größe zweier gestapelter Konservenbüchsen sind zwei Samarium-Kobalt-Magnete und eine Antenne untergebracht, die sowohl ein oszillierendes Magnetfeld aussendet als auch die Signale des Gesteins auffängt. Daraus lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie porös das Gestein in der Lagerstätte ist und ob sich das Ausbeuten lohnt.

Wesentlich mehr Fingerspitzengefühl braucht Steffen Glaser von der Technischen Universität München. Der Chemieprofessor hat organische Moleküle in ein Magnetresonanzspektroskop der Marke Bruker eingespannt und fünf Wasserstoff-Atome per Magnetfeld ausgerichtet. Mit Radiowellen regt Glaser die Spins der Atomkerne einzeln an und führt so auf miteinander gekoppelten benachbarten Kernen Rechenoperationen aus, mit denen sich eine bestimmte Klasse mathematischer Funktionen unterscheiden lässt. Im Gegensatz zu einem Fußball, der nur entweder einen Rechts- oder einen Linksdrall haben kann, können die Spins der Atomkerne beide Zustände gleichzeitig annehmen und damit doppelt so schnell rechnen wie heutige Elektronenrechner. Glaser ist überzeugt: „Ein solcher Quantencomputer kann eines Tages mehr leisten als alle heutigen Computer zusammen.“ ■

Bernd Müller, Ex-bdw-Redakteur, ließ sich in der Röhre komplett durchleuchten. Die erfreuliche Diagnose lässt auf weitere Texte aus seiner Feder hoffen. Volker Steger, Fotograf in München und ständiger Mitarbeiter von bdw, steuerte die Bilder zu der Geschichte bei.

Bernd Müller

COMMUNITY Internet

Homepage der Firma Bruker:

www.bruker-biospin.de

Homepage von Siemens Medical:

www.medical.siemens.com

NMR-Zentrum der RWTH Aachen:

www.aixnmr.de

Homepage von Prof. Steffen Glaser an der Technischen Universität München:

www.org.chemie.tu-muenchen.de/glaser/welcome(deutsch).html

3D-NMR-Mausatlas:

atlasserv.caltech.edu/~johnc/index_ content.html

Ohne Titel

Die Entwickler der Magnetresonanz-Technologie haben bei der Vergabe von Nobelpreisen mächtig abgeräumt. Acht Wissenschaftler wurden bislang mit dem begehrten Preis für ihre Arbeiten auf diesem Forschungsgebiet ausgezeichnet.

1922: Die Physiker Otto Stern (Nobelpreis Physik 1942) und Walter Gerlach entdecken, dass sich Atome in einem Magnetfeld parallel oder antiparallel ausrichten.

1924: Der Schweizer Wolfgang Pauli (Nobelpreis Physik 1945) vermutet, dass auch Atomkerne einen messbaren Spin haben.

1946: Felix Bloch und Edward Mills Purcell (beide Nobelpreis Physik 1952) gelingt es unabhängig voneinander, Atomkerne durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld aus ihrer Vorzugsrichtung im Magnetfeld zu kippen. Diese Entdeckung gilt als Geburtsstunde der Magnetresonanz-Technik.

1971: Richard Ernst (Nobelpreis Chemie 1991) verbessert die Empfindlichkeit der NMR-Technik und steigert die Geschwindigkeit um das Tausendfache durch Fourieranalyse des NMR-Signals.

1973: Der Chemiker Paul C. Lauterbur macht die erste Aufnahme eines mit Flüssigkeit gefüllten Röhrchens. Für die Arbeiten zur Magnetresonanztomographie erhalten Lauterbur und sein Kollege Peter Mansfield 2003 den Nobelpreis für Medizin.

2002: Kurt Wüthrich erhält den Nobelpreis für Chemie für seine bahnbrechenden Arbeiten über die dreidimensionale Struktur von Proteinen und NMR.

Ohne Titel

Magnet

Er erzeugt ein kontinuierliches Magnetfeld mit einer Stärke von bis zu 7 Tesla (das 150 000-Fache des Erdmagnetfelds), bei Geräten der chemischen Analytik auch 20 Tesla und mehr. So hohe Feldstärken lassen sich nur mit supraleitenden Spulen erzeugen. Gekühlt werden die Drähte, die meistens aus einer Niob-Titan-Legierung bestehen, mit flüssigem Helium bei minus 269 Grad Celsius – zum Teil auch bei minus 271 Grad, weil dabei extrem hohe Magnetfelder stabiler sind. Moderne Geräte sind so gut isoliert, dass kein Helium mehr nachgefüllt werden muss – eine kleine Kältemaschine genügt.

Gradientensystem

Spulen innerhalb des Hauptmagneten, die dessen Feld am einen Ende verstärken, am anderen schwächen, sodass in der Röhre ein Feldgefälle von bis zu 40 Tausendstel Tesla pro Meter herrscht. Für jede Raumrichtung gibt es ein Spulensystem. Auf das unterschiedlich starke Magnetfeld reagieren die Wasserstoffkerne mit verschiedenen Signalen, woraus sich der Ort der Atome und damit ein Bild errechnen lässt. Damit keine Informationen verloren gehen, muss das Gradientenfeld im Takt des Hochfrequenzsystems in Bruchteilen einer Millisekunde umgeschaltet werden, was als lauter Ton zu hören ist. Daher tragen Patienten in der Röhre stets Ohrenschützer.

Shimspulen (Ausgleichsspulen)

Zusatzspulen, die Unregelmäßigkeiten des Hauptmagnetfelds ausbügeln. Diese werden zum Beispiel durch die äußere Abschirmung aus Eisen verursacht, aber auch durch Zahnplomben des Patienten.

Hochfrequenzsystem

Eine oder mehrere Spulen senden Hochfrequenzimpulse aus, die die Wasserstoffkerne im Körper des Patienten oder in der untersuchten Werkstoffprobe zum Taumeln bringen. Weitere Spulen empfangen das Signal der Atomkerne nach Abschalten der Hochfrequenz. Die Spulen werden dicht am Körper angebracht, um möglichst gute Auflösung zu erreichen.

Ohne Titel

• Magnetresonanztomographen sind unschlagbar, wenn es um gestochen scharfe Bilder aus dem Körper geht.

• Neue Geräte sind besonders patientenfreundlich: Sie schaffen einen Ganzkörperscan in weniger als zwölf Minuten.

• Selbst Menschen mit der Statur eines Basketballers finden in der Röhre Platz.

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Pa|ka  〈n. 15; Zool.〉 Nagetier in wasserreichen Gebieten Südamerikas, Erdhöhlenbewohner: Agouti paca; →a. Aguti ... mehr

Ca|te|chin  〈[–çin] n. 11; meist Pl.; Chem.〉 in Pflanzen enthaltene organische Verbindung, die als Grundlage für natürliche Gerbstoffe verwendet wird [lat.]

Pro|ge|nie  〈f. 19; Med.〉 das Vorstehen des Unterkiefers, eine Kieferanomalie; Ggs Prognathie; ... mehr

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