Durchbruch in der bildgebenden Magnetresonanztomographie des Herzens

18.4.2019

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Bis heute sind dabei in der Diagnostik und Therapie einige Bereiche mit hohem Bedarf noch nicht abgedeckt. Das Projekt »MetaboliQs« kombiniert diamantbasierte Quantensensorik und medizinische Bildgebung, um das Verständnis für krankheitsbedingte molekulare Veränderungen im Körper zu verbessern und die personalisierte Diagnostik voranzutreiben.

© Fraunhofer IAF

Neue Technologien zum atomaren Wachstum von Diamantmaterial werden die MRT verbessern.

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Das Projekt MetaboliQs kombiniert diamantbasierte Quantensensorik und medizinische Bildgebung.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist seit Jahrzehnten als sichere, nicht-invasive und nicht-radioaktive Methode zur Diagnose von Herz-Kreislauf-Erkrankungen weit verbreitet. Jedoch können selbst die teuersten MRT-Scanner (mit den stärksten Magneten) molekulare und Stoffwechsel-Aktivitäten im Herzen nicht mit ausreichender Empfindlichkeit erkennen und visualisieren. Hier spielen aktuelle MRT-Techniken auf Grundlage von Hyperpolarisation eine zentrale Rolle, da sie es ermöglichen, die Empfindlichkeit der MRT um bis zu fünf Größenordnungen zu erhöhen.

Leider dauert der Hyperpolarisationsprozess sehr lange (90–180 Minuten pro Verfahren), ist extrem kostspielig und umständlich (mehr als 2 Mio. Dollar Anschaffungskosten für Anlagen in der Größe eines ganzen Raumes) und erfordert zudem Temperaturen von unter -270 ºC. Das Projekt MetaboliQs, an dem auch das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF beteiligt ist, zielt darauf ab, durch Fortschritte in der Quantenphysik eine verbesserte Methode für die MRT zu entwickeln.

Präzisere Diagnostik und personalisierte Medizin durch Fortschritte in der Quantenphysik

Das neue Verfahren, welches auch als »Hyperpolarisierte MRT« bezeichnet wird, ermöglicht die Darstellung und Visualisierung wichtiger Stoffwechselsubstrate im Herzen und in anderen Organen (z. B. Niere, Leber) durch Hyperpolarisation von Kernspins körpereigener und ungiftiger Substrate. Auf diese Weise können einige Stoffwechselreaktionen nicht-invasiv verfolgt werden. Diese Technologie wird eine bisher unerreichte, hochsensitive Quantifizierung der Stoffwechselaktivität ermöglichen und den Weg für eine präzise Diagnose und eine auf die Patientin oder den Patienten zugeschnittene Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen ebnen. So wird es beispielsweise möglich sein, Patientinnen und Patienten, die am wahrscheinlichsten von invasiven oder pharmakologischen Behandlungen profitieren, von denen zu unterscheiden, für die andere medizinische Behandlungsmethoden zielführender wären. Zudem können Erkrankungen im Frühstadium deutlich besser diagnostiziert werden.

Im Projekt MetaboliQs werden die transformativen Eigenschaften von Diamant-Stickstoff- Vakanzen (nitrogen vacancies, NV), wie die hohe Quantenkohärenz und Quantenkontrolle genutzt, um einen Durchbruch in der hyperpolarisierten MRT zu ermöglichen. Es soll ein kostengünstiger und durchsatzstarker Diamantpolarisator entwickelt werden, der mit allen kommerziellen MRT-Scannern verwendet werden kann und Ergebnisse innerhalb von Minuten statt Stunden liefert.

Diese einzigartige Nutzung der Quantenkohärenz wird durch eine neue Technologie zum atomaren Wachstum von Diamantmaterial (sogenanntem »quantum grade«-Diamant) ermöglicht. Darunter fallen beispielsweise 12C-Isotopenreinigung, präzise Kontrolle der Stickstoffdefektkonzentration und Nanofertigung der Diamantoberfläche.

Das Projekt MetaboliQs ist Teil der von der Europäischen Union geförderten Gesamtinitiative »Quantum Flagship«.

Über MetaboliQs

Mitglieder des multidisziplinären Konsortiums MetaboliQs sind: Das Fraunhofer IAF in Freiburg, ein führendes Forschungsinstitut für Quantentechnologie mit Diamant; NVision Imaging Technologies GmbH, Deutschland, ein vom Silicon Valley unterstütztes Quantentechnologie- Unternehmen; Element Six Limited, Großbritannien, ein weltweit führender Anbieter in der Forschung und Herstellung von synthetischem Diamant; die Hebräische Universität Jerusalem (HUJI), Israel, ein führendes Forschungsinstitut für Diamantquantentechnologien; Bruker BioSpin GmbH – Marktführer in der präklinischen MRT- und NMR-Spektroskopie sowie die ETH Zürich in der Schweiz und die Technische Universität München, Deutschland.