Ein schneller Blick ins Menscheninnere

Bildgebende Verfahren wie die Computer-, Magnet-Resonanz- und Positronen-Emissions-Tomographie oder der Ultraschall sind aus der medizinischen Welt nicht mehr wegzudenken. Jede Methode eröffnet nicht nur einzigartige Einblicke in das Innere von Menschen, sondern erlaubt der Ärztin oder dem Arzt Rückschlüsse auf Defekte oder Funktionsabläufen im menschlichen Körper.

Einem Team aus Physikern und Medizinern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ist es jetzt gelungen, eine weitere – und noch dazu strahlenfreie – bildgebende Technologie reif für den Einsatz am Menschen zu machen. Ihr Name: Magnetic Particle Imaging (MPI). Mit dem von ihnen jetzt entwickelten, transportablen Scanner ist es unter anderem möglich, dynamische Abläufe im menschlichen Körper wie den Blutfluss zu visualisieren.

Verantwortlich für diese Studie sind Professor Volker Behr und Dr. Patrick Vogel vom Physikalischen Institut der Universität; die Ergebnisse haben sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Eine empfindliche und schnelle Alternative

Die Magnetpartikelbildgebung (engl. Magnetic Particle Imaging) ist eine Technik, die, wie der Name andeutet, auf der direkten Visualisierung von magnetischen Nanopartikeln basiert. Solche Nanopartikel kommen im menschlichen Körper natürlicherweise nicht vor und müssen als Marker verabreicht werden. „Wie auch bei der Positronen-Emissions-Tomographie, die auf die Gabe von radioaktiven Substanzen als Marker angewiesen ist, hat diese Methode den großen Vorteil, empfindlich und schnell zu sein, ohne dabei störende Hintergrundsignale von Gewebe oder Knochen zu ‚sehen‘“, erklärt Volker Behr.

MPI basiert dabei nicht wie die Positronen-Emissions-Tomographie auf der Detektion von Gammastrahlen eines radioaktiven Markers, sondern auf dem Antwortsignal der magnetischen Nanopartikel auf sich zeitlich verändernde Magnetfelder. „Dabei wird die Magnetisierung von Nanopartikeln mit Hilfe von externen Magnetfeldern gezielt manipuliert, wodurch nicht nur ihre Anwesenheit, sondern auch ihre räumliche Position im menschlichen Körper detektiert werden kann“, sagt der Physiker Patrick Vogel, Erstautor der Publikation.

Ein kleiner Scanner für große Einblicke

Die MPI-Idee ist nicht neu. Bereits 2005 konnte das Unternehmen Philips die ersten Bilder dieses neuartigen Ansatzes in einem kleinen Demonstrator zeigen, der allerdings nur Proben von wenigen Zentimetern Größe aufnehmen konnte. Und die Entwicklung von Geräten, die sich zur Untersuchung von Menschen eigneten, erwies sich schwieriger als gedacht und führte zu großen, schweren und teuren Konstruktionen.

Das Team um Professor Volker Behr und Patrick Vogel fand 2018 einen neuen Weg, die komplexen Magnetfelder, die für die Bildgebung erforderlich sind, in einem wesentlich kleineren Design umzusetzen. In einem mehrjährigen, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojekt gelang es den Wissenschaftlern, das neuartige Konzept in einem gezielt für die Intervention entwickelten MPI Scanner (interventional Magnetic Particle Imaging – iMPI) umzusetzen.

„Unser iMPI-Scanner ist so klein und leicht, dass man ihn fast überall mitnehmen kann“, erklärt Vogel. Diese Mobilität des Scanners zeigen die Autoren eindrucksvoll in einer simultanen Echtzeitmessung im Vergleich mit einem speziellen Röntgengerät, welches das Standardgerät in der Angiographie in den Unikliniken ist. Das Team um Professor Thorsten Bley und Dr. Stefan Herz der interventionellen Radiologie des Würzburgers Universitätsklinikums, das von Anfang an dieses Vorhaben begleitete, führte die Messungen an einem realistischen Gefäßphantom durch und bewerteten die ersten Bilder.

„Das ist ein erster wichtiger Schritt hin zu einer strahlenfreien Intervention. MPI hat das Potential diesen Bereich nachhaltig zu verändern“, sagte Dr. Stefan Herz, Seniorautor der Publikation.

Nächste Schritte in der Forschung

Neben weiteren spannenden Messungen mit dem iMPI-Gerät, arbeiten die beiden Physiker nun an einer Weiterentwicklung ihres Scanners. Ziel ist dabei vor allem, die Bildqualität weiter zu verbessern.

Publikation

P. Vogel et al., „ iMPI: portable human-sized magnetic particle imaging scanner for real-time endovascular interventions “, Nature Scientific Reports, 13, 10472, 2023, https://doi.org/10.1038/s41598-023-37351-2

Kontakt

Prof. Dr. Volker Behr, Experimentelle Physik 5, Universität Würzburg, T + 49 931 31-85766, volker.behr@uni-wuerzburg.de

Dr. Patrick Vogel, Experimentelle Physik 5, Universität Würzburg, T + 49 931 31-88509, patrick.vogel@uni-wuerzburg.de