Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Mit Diamant die Krebsdiagnostik revolutionieren
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Die Bildgebung der Magnetresonanztomographie (MRT) soll revolutioniert werden: Mit Diamanten auf der Nanometerskala soll Tumorgewebe in Zukunft schneller erkannt und besser von gesundem Nachbargewebe abgegrenzt werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich das Fraunhofer IAF, die Universität Ulm, die Firma NVision Imaging Technologies GmbH, die Hebrew University of Jerusalem und das Israeli Center for Advanced Diamond Technologies (ICDAT) in dem Verbundprojekt "DiaPol" zusammengeschlossen. Die neuartige Technologie birgt große Chancen: Extrem genaue und schnell verfügbare Resultate machen es möglich, die Behandlung von Tumorgewebe wesentlich effizienter auf den Patienten abzustimmen als bei bisherigen Verfahren.
Es ist die Unsicherheit, die Angst macht: Krebs. Nach einem Bericht des Robert Koch-Instituts aus dem Jahr 2016 hat sich die absolute Zahl der Neuerkrankungen seit Anfang der 1970er Jahre in Deutschland fast verdoppelt. Zeit ist ein entscheidender Faktor - denn eine frühzeitige und exakte Diagnose kann Leben retten. In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Verfahren, mit denen verdächtige Gewebestellen im Körper erkannt werden können, immer genauer. Für Patienten besonders schonend und dabei effizient ist die Magnetresonanztomographie, da sie ohne schädliche Chemikalien oder radioaktive Substanzen auskommt und dreidimensionale, detailreiche Schnittbilder von menschlichem Gewebe liefert.
Die klassische MRT nutzt unter anderem Magnetfelder, um hochauflösende Bilder zu erstellen. Der Körper eines Menschen besteht zu etwa 70 Prozent aus Wasser. Jedes Wassermolekül enthält zwei Wasserstoffatome, deren Kerne magnetisch sind. Die Magnetfelder im Kern dieser Wasserstoffatome werden durch Kernspins erzeugt. Mit einem so genannten Polarisator werden die Magnetfelder der Kernspins in den Wassermolekülen verstärkt und ausgerichtet. Das ist wichtig, denn: Je besser die Kernspins ausgerichtet sind, desto stärker ist auch das Signal der MRT und desto genauer werden die Ergebnisse. Unter dem Zusatz von Hochfrequenzimpulsen werden bestimmte Atomkerne im Körper zusätzlich resonant angeregt, was als elektrisches Signal gemessen werden kann. Ein spezielles Programm wandelt alle Messergebnisse anschließend in hochauflösende, dreidimensionale Bilder um.
10 000-fach empfindlicher durch diamantbasierte Polarisatoren
Für das neuartige MRT-Verfahren erweitern die Forscher das klassische Vorgehen mit einem Polarisator aus Nanodiamanten. Für den Polarisator spielen die eingebauten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren eine wichtige Rolle: Die Elektronenspins in diesen Zentren erzeugen Magnetfelder, die auf andere Kernspins übertragen werden können und diese somit ausrichten (polarisieren). Dadurch werden die Nanodiamanten oder externen Moleküle hyperpolarisiert. Sie können anschließend vor der MRT-Untersuchung in den Menschen injiziert werden und so die Empfindlichkeit der Bildgebung deutlich steigern.
Als Experte auf dem Gebiet der Diamant-Nanotechnologie ist das Fraunhofer IAF an dieser Stelle in das Projekt involviert. "Unsere Aufgabe besteht darin, den Diamanten auf der Nanoskala zu optimieren und die Stickstoff-Fehlstellen-Zentren einzubauen", erklärt Dr. Verena Zürbig vom Fraunhofer IAF. Die Projektkoordinatorin und Gruppenleiterin für "Diamant" ist überzeugt: "Die Polarisatoren mit den Diamanten werden die Empfindlichkeit des MRT gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen deutlich steigern." Die Firma NVision sieht in dem neuartigen Verfahren eine große Chance: "Es kann möglich werden, den Krebs nicht nur frühzeitig zu diagnostizieren, sondern zudem das Stadium der Krebszellen zu erkennen".
Das Material Diamant hat dabei unschlagbare Vorteile: Die Hyperpolarisation unter Nutzung von Diamanten findet bei Raumtemperatur statt und ermöglicht somit eine viel schnellere und kostengünstigere Methode im Vergleich zur Herstellung mit den bisherigen Techniken, die bei tiefen Temperaturen stattfinden. Ein Teilziel des DiaPol-Projektes ist der Bau von extrem kleinen, flexiblen und mobilen Diamant-Polarisatoren. Diese Neuerung soll für sehr schnelle Auswertungszeiten sorgen und somit die Wartezeit für Patienten auf ihre Ergebnisse von mehreren Wochen auf wenige Tage verkürzen. Stück für Stück soll mit den genaueren Messergebnissen und der damit besseren Behandlung der Patienten die Unsicherheit, die bei der Krankheit für Ängste sorgt, abgebaut werden.
Begriffe kurz erklärt:
- Kernspin: Der Eigendrehimpuls eines Protons um seinen eigenen Schwerpunkt im Atomkern. - MRT: Kurz für "Magnet-Resonanz-Tomographie". - Polarisation: Erhöht die Kernmagnetisierung und damit die Intensität des Signals bei einem MRT. - Hyperpolarisation: Die geordnete Ausrichtung von Spins weit über das thermische Gleichgewicht hinaus.
Dr. Anne-Julie Maurer Leiterin Marketing und Kommunikation Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Tullastrasse 72, 79108 Freiburg, Germany Phone: +49 761 5159-282 anne-julie.maurer@iaf.fraunhofer.de www.iaf.fraunhofer.de