„Wir sehen direkt den Blutfluss in Gefäßen“

Welt der Physik: Was ist Magnetic Particle Imaging und seit wann forschen Sie daran?

Patrick Vogel: Magnetic Particle Imaging ist ein neuartiges Bildgebungsverfahren, mit dem wir den Blutfluss in Gefäßen untersuchen. Noch befindet es sich in der Entwicklung. Hier in Würzburg erforschen wir das Verfahren seit etwa 20 Jahren in Kooperation mit dem Fachbereich Physik und der Radiologie des Universitätsklinikums und arbeiten jetzt darauf hin, das Verfahren in den klinischen Einsatz zu bringen.

Das Team

Wie unterscheidet sich MPI von herkömmlichen bildgebenden Verfahren in der Medizin wie Computertomographie oder Magnetresonanztomographie, also CT und MRT?

Vogel: Beim MPI injizieren wir magnetische Eisen-Nanopartikel in den Körper und machen sie mithilfe spezieller Magnetfelder direkt in den Gefäßen sichtbar. Das Besondere: Anders als bei traditionellen Bildgebungsverfahren wie Röntgenstrahlung, CT oder MRT zeigen die Bilder ausschließlich die Nanopartikel – nicht den Hintergrund. Es werden also weder Anatomie noch Gewebe oder Knochen abgebildet. In Echtzeit wird sichtbar, wo sich die magnetischen Partikel, die wir auch Tracer nennen, im Körper befinden und wie sie sich bewegen – ganz ohne Röntgenstrahlen oder andere energiereiche Strahlung und ohne jodhaltige Kontrastmittel.

Warum eignet sich das Verfahren besonders gut für Gefäßuntersuchungen?

Viktor Hartung: Bei den meisten Gefäßuntersuchungen geht es darum, den Blutfluss darzustellen. Das MPI-Verfahren zeigt uns nur den injizierten Tracer, der sich mit dem Blutfluss verteilt, und damit nur den durchströmten Anteil der Blutgefäße. Dabei interessieren uns etwa Engstellen, Verschlüsse oder Erweiterungen. Per MPI sehe ich zum Beispiel, wie stark der Blutfluss verzögert ist oder ob sich bei Verschlüssen der Tracer dennoch einen neuen Weg ins Zielorgan sucht, beispielsweise über Umgehungskreisläufe. Denn therapeutisch ist es ein großer Unterschied, ob ein Organ zu wenig versorgt oder überhaupt nicht mehr durchblutet ist.

Wie machen Sie die Nanopartikel in den Gefäßen überhaupt sichtbar?

Vogel: Man kann sich die Eisen-Nanopartikel wie winzige Magnete vorstellen. Bringt man diese in ein starkes äußeres Magnetfeld, dann richten sich die Mini-Magnete entlang der Feldlinien aus. Wenn alle Mini-Magnete ausgerichtet sind, dann haben alle Partikel eine feste Richtung und sind damit „magnetisch ruhiggestellt“. Daraufhin wird mithilfe von zwei weiteren Magneten eine kleine feldfreie Region erzeugt, wir nennen das auch einen „feldfreien Punkt“. Partikel, die sich in der Nähe des feldfreien Punkts befinden, können sich dann wieder frei bewegen und dadurch gemessen werden. Wenn sich die Nanopartikel in der Nähe des feldfreien Punkts befinden, können wir sie also sehen, außerhalb dieses Bereichs nicht. Ein MPI-Scanner bewegt den feldfreien Punkt systematisch durch den Messbereich. Aus allen gemessenen Signalen berechnet der Computer schließlich ein Bild der Verteilung der Nanopartikel im Körper.

Herr Vogel, Sie haben sich selbst als erster menschlicher Proband das MPI getestet. Wie verlief die Untersuchung?

Vogel: Absolut unspektakulär – was sehr positiv ist. Ich habe gemerkt, wie der Tracer in die Adern hineinfloss. Dann machte das Gerät leichte Geräusche beim Messen – und schon war alles vorbei. Erst ein paar Tage später wurde mir richtig klar: Wir haben ein System gebaut, mit dem wir einfach in meinen Arm hineingeschaut haben. Wichtig für uns war zu zeigen: Die Technologie funktioniert und ist sicher – so sicher, dass man einen Menschen hineinlegen kann.

Hartung: Wir haben den Versuch lange vorbereitet; dann war er innerhalb weniger Minuten vorbei und die Bilder sind gut geworden. Wir konnten Engstellen in Gefäßen mit einem Durchmesser von etwa fünf bis sechs Millimetern abbilden – also Gefäße in der Größe der üblicherweise behandelten Arm- oder Beinarterien.

Magnetic Particle Imaging

Wie sicher ist die Technologie?

Hartung: MPI baut auf lang erprobten Technologien auf: Der Tracer ist ein für die Injektion zugelassenes MRT-Kontrastmittel. Wir benötigen nur sehr wenig Tracer, etwa einen Milliliter, den wir zudem sehr stark verdünnen können. Bei einer MRT-Untersuchung wäre es etwa die zehnfache Menge. Diese geringe Dosis ist ein großer Vorteil für Patientinnen und Patienten, weil die Nebenwirkungen auch dosisabhängig sind.

Vogel: Bei den Magnetfeldern unterliegen wir Regularien, die mit denen der MRT vergleichbar sind. Einerseits gilt es zu vermeiden, dass Magnetfelder das Gewebe stark erhitzen. Dieses Risiko spielt beim MPI kaum eine Rolle. Andererseits könnte eine periphere Nervenstimulation problematisch sein, also Zuckungen durch schnelle Feldänderungen, wie sie bei der MRT vorkommen können. Von diesen kritischen Bereichen sind wir aber weit entfernt. Unsere Systeme sind so ausgelegt, dass wir etwa 50 bis 70 Prozent unter den maximal erlaubten Werten bleiben – also mit großem Sicherheitsabstand.

Welche Hauptanwendungsfälle erwarten Sie in der Klinik?

Hartung: Ein großer Vorteil des MPI ist die strahlungsfreie Untersuchung. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete. Man denke einmal an Kinder: Aufgrund der besonderen Empfindlichkeit ihres Erbguts ist ihr Risiko für Strahlenschäden deutlich höher als bei Erwachsenen. Zudem kann die Geschwindigkeit einer MPI-Untersuchung die Bildgebung für Kinder besser erträglicher machen. Auch Patientinnen und Patienten mit arterieller Verschlusskrankheit, die man immer wieder mittels Bildgebung kontrollieren und behandeln muss, könnten sehr profitieren; ebenso wie medizinisches Personal, das tagtäglich die eigene Gesundheit durch Untersuchungen mit Röntgenstrahlen aufs Spiel setzt. Neben der reinen Diagnostik denken wir außerdem über Verfahren nach, die Therapie und Bildgebung kombinieren. Dabei könnten wir einen Teil der Nebenwirkungen – konkret die Erwärmung des Gewebes – gezielt für therapeutische Zwecke nutzen.

Vogel: Mit den Partikeln können wir auch lokal sehr hohe Temperaturen erreichen. Für die Bildgebung ist das nicht nötig, aber mit der sogenannten Hyperthermie könnte man beispielsweise gezielt Zellen abtöten, die die Nanopartikel aufgenommen haben.

Wie geht es mit der Technologie weiter?

Vogel: Einerseits arbeiten wir daran, die Systeme weiter zu optimieren. In Würzburg starten gerade zwei größere Projekte: ein System zur Frühdiagnostik von Schlaganfällen, das StrokeCap-Projekt, und der Aufbau eines Süddeutschen MPI-Zentrums. Gleichzeitig bereiten wir die Zulassung für den klinischen Einsatz vor – dazu sind natürlich noch weitere Studien notwendig. Außerdem wird ein ausschlaggebender Faktor sein, ob sich die Anschaffung der Geräte für die Kliniken wirtschaftlich lohnt, während sie bereits über herkömmliche bildgebende Technologien verfügen. Wir entwickeln daher besonders kompakte Systeme, die vermutlich ähnlich teuer wie ein CT sein werden. Aus heutiger Sicht denken wir, dass MPI in etwa 10 bis 15 Jahren an den Kliniken eingesetzt werden könnte.