Verschlungene Pfade

von Dina Koletzki de Salazar

Polarisiertes Helium-3 in der Lunge: kleinste Verästelungen sind zu erkennen

Im Vorraum des Tomographielabors der Radiologie am Universitätsklinikum Mainz. Zwischen Arzneischränken steht eine Krankenhausliege mit dunkelgrünem Kunstlederbezug. Darauf ein roter Rucksack. Sein Besitzer liegt bereits einen Raum weiter in einer drei Meter langen weißen Röhre und hält auf Kommando die Luft an.

Aus dem Kernspintomographen, wie die Röhre heißt, dringen laute Klopfgeräusche. Durch eine Glasscheibe beobachtet das MRT-Team im angrenzenden Kontrollraum die Untersuchung. Auf dem Bildschirm des PCs ist bereits klar, deutlich und in Farbe die Lunge des Probanden mit all ihren Verzweigungen und Verästelungen zu sehen. Nach etwa 30 Minuten ist die Untersuchung vorbei. Vor ein paar Jahren noch waren solche Bilder von der Lunge ein Ding der Unmöglichkeit. Denn für die herkömmliche Computer- und Kernspintomographie reichte die Dichte des Lungengewebes nicht aus. Alle Bilder blieben undeutlich, Schäden waren häufig erst erkennbar, wenn es für eine Behandlung schon zu spät war.

Durchbruch in den Achtzigern

Dass es heute anders ist, verdankt die Medizin einer Art Zufall. Denn eher zufällig öffneten die Grundlagenforschung der Mainzer Atom- und Kernphysiker Werner Heil und Ernst-Wilhelm Otten und die Suche der französischen Physikerin Michèle Leduc nach einem leistungsstarken Laser den Weg zur Herstellung polarisierten Heliums-3. Und nur durch Zufall fand das polarisierte Helium-3 den Weg aus Mainzer Physiklaboren in die Radiologie der Universitätsklinik. Dieser wissenschaftliche Durchbruch für die Früherkennung von Lungenkrankheiten oder die Funktionsanalyse des Atemorgans nahm in den achtziger Jahren seinen Anfang. In den Forschungsräumen der Experimentellen Atom-, Kern- und Teilchenphysik, weit weg von der Medizin, da wo die Professoren Ernst-Wilhem Otten und Werner Heil den Aufbau von Heliumatomkernen untersuchen.

Alles nur Zufall?

Der Bildapparat: geballte Technik im Tomographen
Werner Heil findet nichts Ungewöhnliches daran, dass auf diese Weise aus physikalischer Grundlagenforschung neue Anwendungen in der Medizin entstehen. "Während der Arbeit an einem Projekt entwickeln sich häufig neue, interessante Perspektiven, die in ganz andere Fachbereiche hineinreichen," sagt Heil, "wie hier die Kern- und Elementarteilchenphysik in die Medizin." Ungewöhnlich sei vielmehr, dass beide tatsächlich zueinander finden. "So etwas ist an einer Universität viel eher möglich." Mittlerweile arbeiten in dem Projekt Kernphysiker und Mediziner aus Radiologie und Anästhesie systematisch zusammen. Die verschlungenen Pfade zur Wissenschaft sind auch Ernst-Wilhelm Otten vertraut. Allerdings in anderem Zusammenhang: "Mein Englisch- und mein Deutschlehrer hatten mich von einem Sprachstudium überzeugen wollen," verrät der Professor, der am 17. Juni 2003 mit der Ehrendoktorwürde der Sorbonne geehrt wurde. "Aber mein Physiklehrer war einfach der bessere Überredungskünstler."
Physiker lieben das Helium-Atom. Es besteht aus zwei negativ geladenen Elektronen, die einen positiv geladenen Kern umgeben. Dieser Kern wiederum enthält zwei positive Protonen und zwei ungeladene Neutronen. Und um den Aufbau der Neutronen ging es. Der erschließt sich aber nicht von alleine. Da die Teilchen für direkte Betrachtungen viel zu klein sind, greifen Physiker auf eine Reihe von Tricks zurück. Zunächst brauchen sie das sehr seltene Helium-3. Dem fehlt in seinem Kern eines der beiden Neutronen des herkömmlichen Helium-4. Die Folge: Der Helium-3-Kern besitzt im Gegensatz zum Helium-4 eine Eigendrehung, den so genannten Spin, der von dem einzelnen Neutron herrührt. Der Spin verhält sich wie ein kleiner Magnet. Mit einem Laser kann die Magnetrichtung der Atome im Gas ausgerichtet werden. Sie sind somit polarisiert, eine wichtige Voraussetzung für den nächsten Schritt.

Elektronen-Beschuss

"Mit einem so genannten Beschleuniger schießen wir dann Elektronen auf die polarisierten Atomkerne," erklärt Otten. Treffen die Elektronen auf das Neutron, werden sie durch magnetische Wechselwirkungen aus ihrer Flugbahn gelenkt. "Aus der Ablenkung, die die Elektronen dadurch erfahren, ziehen wir Rückschlüsse auf den Aufbau der im Neutron enthaltenen Elementarteilchen." So funktioniert Grundlagenforschung. Heil und Otten brauchten für die Polarisierung des Helium-3 aber eine starke Lichtquelle mit der entsprechenden Frequenz. Einen Laser zum Beispiel.

Jetzt führte der Zufall zum ersten Mal Regie: Im Herbst 1987 erfahren die beiden Physiker, dass ihre Kollegin Michèle Leduc am Kastler Brossel-Laboratorium in Paris einen neuen, leistungsstarken Laser entwickelt hat. Einen Laser, mit dem sich auch ihr Helium polarisieren ließ. Also reisen sie noch im selben Jahr zu einem Forschungsaufenthalt an die Ecole Normale Supérieure, um sich mit der neuen Technik vertraut zu machen.

Literweise Helium

"Für Michèle und ihre Kollegen handelte es sich dabei nur um ein Nebenprodukt ihrer Arbeit. Ihr Interesse galt weniger der Produktion großer Mengen von polarisiertem Helium-3", erklärt Ernst-Wilhelm Otten heute. Anders bei ihm und seinem Kollegen Werner Heil. Zurück in Mainz machten sich die Atom- und Kernphysiker daran, die Polarisations-Technik zu verbessern und weiter zu entwickeln. Die Erfolge blieben nicht aus: Anfang der 90er Jahre waren Heil und Otten in der Lage, Helium literweise zu polarisieren.

Helium statt Xenion

Und wieder griff der Zufall ein: 1994 las Werner Heil in der Zeitschrift "Nature" einen Artikel über Versuche mit polarisiertem Xenon zur Bildgebung an der Lunge. Amerikanische Wissenschaftler hatten das Edelgas in präparierte Mäuse-Lungen gefüllt und im Tomographen sichtbar gemacht. Die Mäuse-Lungen waren auf den Aufnahmen klar und deutlich zu erkennen. "Warum nicht Helium, war mein erster Gedanke", erinnert sich Werner Heil. Denn Helium hat im Gegensatz zu Xenon zwei riesige Vorteile. Es wirkt nicht narkotisierend. Und vor allem: Sie konnten es jeder Zeit in großen Mengen herstellen. In Mengen, die nicht nur für winzige Mäuse-Lungen ausreichten, sondern auch für die wesentlich größeren Menschen-Lungen.

"Wir riefen sofort Manfred Thelen an und fragten ihn, ob er mit polarisiertem Helium etwas anfangen könne. Der Chef-Radiologe der Mainzer Uni-Klinik war spontan begeistert: "Her damit!" Thelen beschäftigte sich bereits seit Jahren mit den verschiedenen Methoden der Bildgebung. Und das Lungen-Problem bei der Kernspintomographie war ihm bekannt.

Kernspintomographen machen Gewebe indirekt sichtbar. Dafür polarisieren sie zunächst die Wasserstoffatome des Gewebes. Statt eines Lasers benutzt der Tomograph dafür ein starkes Magnetfeld. Dann wird kurz ein Radiofrequenz-Signal erzeugt, das die Richtung der Kerne verändert. Nach dem Wegfall der Radiowellen schnellen die Kerne in ihre Ausgangsposition zurück. Dabei erzeugen sie im Magnetfeld ein Signal, das der Tomograph misst und in Bilder des Gewebes umsetzt. Soweit die Theorie.

Ein passender Tomograph

Für die Praxis der Lungenuntersuchung reicht das aber nicht: Das dünne Lungengewebe enthält nur wenige Wasserstoff-Moleküle. Und das Signal, das Wasserstoff aussendet, ist verhältnismäßig schwach. Deshalb werden die Bilder unscharf. Polarisiertes Helium hingegen gibt ein wesentlich stärkeres Signal ab. Es verleiht den Lungenbildern neue Schärfe. Also Helium.

Was Thelen fehlte war ein passender Tomograph. Sein Kernspintomograph arbeitete wie die meisten Kernspintomographen nur auf der Frequenz von Wasserstoff. Helium war ihm unbekannt. Eile schien geboten, denn alle Mainzer Forscher wollten Ergebnisse, bevor andere auf dieselbe Idee kamen. Thelen fand seinen Tomographen schließlich am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg.

Gestochen scharfe Lungenbilder

"Ab da ging alles sehr schnell. Nachdem wir uns mit den Heidelbergern einig geworden waren, dauerte es drei Monate, bis die Technik stand. Dann hielten wir die ersten gestochen scharfen Aufnahmen von der menschlichen Lunge in Händen", erzählt Werner Heil, "die Qualität der Aufnahmen war fantastisch." Mit einem Mal waren Lunge und Bronchien mit all ihren Verästelungen zu erkennen. Bis dahin waren nur verschwommene Schwarz-Weiß-Aufnahmen möglich gewesen. Nach all den Jahren versetzt die Erinnerung den Physiker immer noch in Begeisterung.

Der verlogenen Patient

Claus-Peter Heußel, Mitarbeiter von Thelen und Leiter der Thorax-Arbeitsgruppe, lacht: "Ein Beispiel dafür, wie viel mit der neuen Technik zu erkennen ist, ist der verlogene Patient" - ein mittlerweile geflügeltes Wort in der Thorax-Gruppe. Heußel lässt für Vergleichsgruppen seiner Helium-3-Studien nur Nichtraucher zu. Ein 42-Jähriger aus dieser Gruppe zeigte aber auf den Bildern typische Raucherschäden. "Erst nachdem wir ungefähr fünf Mal nachgefragt hatten, fiel ihm ein, dass er während seiner Studienzeit tatsächlich einige Jahre geraucht hat", beschreibt Heußel die neue Qualität der Bilder.

Einblicke in die Lunge

Einsatzmöglichkeiten für die neue Technik gibt es genug.Krankheiten wie Asthma bronchiale oder Mukoviszidose, bei denen Ablagerungen die Lunge schädigen, sind mit der neuen Methode wesentlich früher zu erkennen. Auch die Verteilung inhalierter Medikamente in der Lunge lässt sich mittels Helium-3 genau nachvollziehen. Bei der Lungen-Funktionsanalyse machen sich die Mediziner eine weitere Eigenschaft von Helium-3 zunutze: Im Kontakt mit Luftsauerstoff depolarisiert das Helium rasch. Das gilt in der Lunge besonders da, wo das Gewebe erkrankt ist und den eingeleiteten Sauerstoff nicht schnell aufnimmt und abtransportiert. Die Folge: An diesen Stellen werden bei einer Reihe von Aufnahmen die Bilder nach kurzer Zeit immer schwächer. Die Bereiche mangelhafter Lungenfunktion sind identifiziert. Die Methode ist derart empfindlich, dass Funktionsstörungen sich schon nachweisen lassen, lange bevor beim Patienten die ersten Beschwerden auftreten. Denselben Effekt ziehen die Mediziner heran, um vor Operationen gut funktionierende von kranken Gewebebereichen zu unterscheiden und unnötige Gewebeentnahmen zu vermeiden.

Neuer Forschungsbereich

Mit den ersten Erfolgen des Helium-3-Tomographen taten sich für die Mainzer Forscher schnell neue Geldquellen auf: 1997 begann die Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation die Arbeit der Wissenschaftler zu fördern.
Inzwischen unterstützt auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft das Projekt unter Leitung von Manfred Thelen. Die Mainzer richteten 2002 einen interdisziplinären Forschungsbereich zur "bildgestützen zeitlichen und regionalen Analyse der Ventilations- und Perfusionsverhältnisse in der Lunge" ein. Ziel des Forschungsbereichs ist es, die Methodik zu verbessern und die neue Technologie für die Routinebehandlung von Patienten nutzbar zu machen. Mit der Einrichtung des Forschungsbereichs wurde das Lungenprojekt zu einem festen Bestandteil der Forschung an der Johannes Gutenberg-Universität.

Ruhm und Ehre

Und es häuften sich die Ehrungen: 1998 erhielten Werner Heil, Michèle Leduc, Ernst-Wilhelm Otten und Manfred Thelen den Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft.Im Jahre 2000 wurden sie für den Zukunftspreis des Bundespräsidenten nominiert.