Nanodiamanten verbessern Magnetresonanztomographie

  • 06. January 2016

Hyperpolarisierte Diamanten erzeugen milliardenfach stärkeres Signal.

Die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, ermöglicht eine erstaunlich genaue Darstellung von inneren Organen und Geweben ohne Strahlen­belastung. Dank Quanten­technologie lassen sich eventuell schon bald Stoff­wechsel­prozesse, die etwa den Erfolg einer Krebs­therapie anzeigen, detailliert verfolgen und quanti­fizieren. Diese Weiter­entwicklung, bei der hyper­polarisierte, nano­meter­große Diamanten eine wichtige Rolle spielen, ist für Diagnostik, Forschung und Medi­kamenten­entwicklung gleicher­maßen interessant. Im Zuge des EU-Projekts „Hyper­diamond“ haben Forscher der Uni Ulm etwa fünf Millionen Euro für vier Jahre eingeworben. Die Gruppe will vor allem ein Gerät entwickeln, das die chemisch funktio­nali­sierte Polarisation von Nano­diamanten ermöglicht. Diese sollen in einem MRT-Scanner ein milliarden­fach stärkeres Signal erzeugen.

Die Stärke des MRT-Signals wird durch die Polari­sation von Kern­spins im Körper bestimmt, die wiederum durch hoch­leistungs­fähige Magnete in entsprechenden Scannern erreicht wird. Dank der Hyper­polarisation – der geordneten Ausrichtung von Kern­spins – lässt sich die Empfind­lich­keit der Magnet­resonanz­tomo­graphie noch einmal um das Zehn­tausend­fache steigern. Solche hoch­leistungs­fähigen Verfahren, die schon heute bei der Einschätzung von Tumoren einge­setzt werden, sind aller­dings zeit­auf­wändig, teuer und funktio­nieren nur bei tiefen Tempe­raturen. Das Team der Uni Ulm will diese Nach­teile mithilfe der Quanten­technologie umgehen. Eine wichtige Rolle spielen dabei extrem reine, künst­liche Diamanten: In ihren Stick­stoff-Fehl­stellen­zentren kann der Elektronen­spin mittels Laser­licht polarisiert werden. Nun wollen die Forscher diese Polari­sation mithilfe von Mikro­wellen­strahlung auf Kern­spins in Diamanten oder in externe Moleküle über­tragen, um sie zu hyper­polarisieren. So soll die effi­ziente Darstellung mole­kularer Prozesse bei hoher räum­licher Auflösung möglich werden.

Im Labor konnten Fedor Jelezko, Leiter des Instituts für Quanten­optik, und Martin Plenio, Leiter des Instituts für Theoretische Physik, diese Hyper­polarisation bereits erzeugen und nach­weisen. Inzwischen haben die Wissen­schaftler ihre Idee zum Patent ange­meldet und wollen sie in die Anwendung tragen. In naher Zukunft will die inter­disziplinäre Forscher­gruppe aus den Bereichen Quanten­physik, Material­wissen­schaften, bio­organische Chemie sowie medizi­nische Bild­gebung zwei Neu­heiten im Bereich Hyper­polarisation entwickeln und auf den Markt bringen. Der „Diamond Hyper­polarizer“ soll eine kosten- und zeit­sparende Lösung auf Basis von Nano­diamanten bieten: Das teure Kryostat und die supra­leitenden Magnete, die aktuell zum Standard gehören, werden durch einen günstigen Dioden­laser und ein Mikro­wellen­resonator-System ersetzt. „Letztlich kann die Hyper­polarisation bei Raum­temperatur innerhalb weniger Minuten anstatt sechzig bis neunzig Minuten durch­geführt werden“, sagen die Forscher. Dazu kommt zweitens die Entwicklung hyper­polarisierter Nano­diamanten, die – zum Beispiel an Anti­körper und Signal­peptide geheftet – als Marker für MRT-Scanner einge­setzt werden können. So könnte eine Empfind­lichkeit erreicht werden, die dem teuren Gold­standard­verfahren Positronen-Emissions-Tomo­graphie in nichts nachsteht. Da die Nano­diamanten für viele Minuten im Zustand der Hyper­polarisation verbleiben, ist eine längere Beobachtung mole­kularer Prozesse möglich. Radiologen könnten zum Beispiel die Aufnahme von Anti­körpern in Krebs­zellen engmaschig und hoch­selektiv beobachten.

„Die geringeren Kosten und Anforderungen an die Infra­struktur sind klare Plus­punkte unserer Techno­logie und werden neu­artige Experimente ermöglichen – zum Beispiel in der Medi­kamenten­entwicklung. Auf längere Sicht kann unser Verfahren zur weiteren Verbreitung der hyper­polarisierten Bild­gebung in der Kranken­ver­sorgung beitragen“, erklärt Projekt­koordinator Martin Plenio.

U. Ulm / RK

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