Hyperpolarisierte 13C‑Magnetresonanztomographie – ein Fenster in den Stoffwechsel

Despite being one of the main pillars of modern diagnostics, magnetic resonance imaging (MRI) uses only a tiny fraction of its potential: no more than a millionth of all nuclear spins contribute to the MRI signal. In order to increase this fraction, called polarization, MRI scanners with stronger magnetic fields are being developed. However, even the most modern scanners do not exploit the potential of MRI.To make full use of this potential, hyperpolarized MRI (HP-MRI) is an excellent tool: quantum mechanical tricks can be used to generate contrast agents whose nuclear spins can deliver a MRI signal that is up to a 100,000 times stronger. This signal enhancement allows imaging of in vivo processes that would be otherwise impossible to measure. It is particularly interesting to introduce these magnetically labeled nuclei into metabolic processes so that the metabolism can be investigated non-invasively and in vivo.Small but diagnostically important changes in metabolism could be found before macroscopic tissue changes were otherwise visible. High-resolution images can be acquired within a few 100 ms, enabling metabolic monitoring in real-time. Heart, brain, and prostate are among the organs that have already been investigated in over 90 clinical trials using this emerging technology.So far, displaying tissue in a similar manner was only possible using nuclear medicine, e.g., positron emission tomography (PET) utilizing radionuclides and without resolution of various metabolic steps. A change in tumor metabolism following treatment was shown within hours in HP-MRI. These applications coupled with background information about the technology are the subject of this review.KLINISCHES PROBLEM: Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine der tragenden Säulen der modernen Diagnostik, nutzt aber nur einen winzigen Teil ihres Potenzials: Wenige Millionstel aller vorhandene Kernspins tragen effektiv zum MRT-Signal bei. Um diesen Bruchteil, die Polarisierung, zu erhöhen, werden MRT-Geräte mit immer stärkeren Magnetfeldern entwickelt. Jedoch schöpfen selbst modernste Geräte das Potenzial der MRT nicht aus.Hier setzt die hyperpolarisierte MRT an: Durch quantenmechanische Tricks können Kontrastmittel hergestellt werden, deren Kernspins ein bis zu 100.000-mal stärkeres MRT-Signal zu liefern. Dies erlaubt die Bildgebung von Vorgängen in vivo, welche anderweitig nicht messbar wären. Besonders interessant ist es, diese magnetisch markierten Kerne in den Stoffwechsel einzuschleusen, so dass dieser unmittelbar beobachtet werden kann. LEISTUNGSFäHIGKEIT: Es konnten bereits kleine, aber diagnostisch entscheidende Stoffwechseländerungen gefunden werden, bevor Veränderungen im Gewebe anderweitig sichtbar waren. Hochauflösende Bilder werden innerhalb von einigen 100 ms aufgenommen, der Stoffwechsel wird somit in Echtzeit dargestellt. Herz, Gehirn und Prostata gehören zu den Organen, welche bereits in über 90 klinischen Studien mit dieser aufstrebenden Technologie untersucht werden.Eine ähnliche Darstellung von Gewebe besteht bisher nur mit Hilfe nuklearmedizinischer Verfahren, wie z. B. der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), jedoch unter Anwendung von Radionukliden und ohne Auflösung von verschiedenen Stoffwechselschritten. Das Ansprechen auf eine Therapie mittels Hyperpolarisation wurde bereits innerhalb von Stunden festgestellt. Diese Anwendungen, gepaart mit Hintergrund zur Technologie, sind das Thema dieser Übersichtsarbeit.