Universität Ulm

Diamanten ermöglichen detaillierte Einblicke in den Körper

| Autor / Redakteur: Annika Bingmann / Kathrin Schäfer

Bei der Verbesserung der Magnetresonanztomographie im Zuge des Projekts Hyperdiamond spielen Diamanten eine entscheidende Rolle.
Bei der Verbesserung der Magnetresonanztomographie im Zuge des Projekts Hyperdiamond spielen Diamanten eine entscheidende Rolle. (Bild: Elvira Eberhardt/kiz)

Schon jetzt ermöglicht die Magnetresonanztomographie (MRT) eine erstaunlich genaue Darstellung von inneren Organen und Geweben ohne Strahlenbelastung. Mit Hilfe von Nanodiamanten wollen Forscher der Universität Ulm in MRT-Scannern 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 so genannten Hyperpolarisation – darunter versteht man die geordnete Ausrichtung von Kernspins – lässt sich die Empfindlichkeit der Magnetresonanztomographie noch einmal um das 10.000-fache steigern. Solche hochleistungsfähigen Verfahren, die schon heute bei der Einschätzung von Tumoren eingesetzt werden, sind allerdings zeitaufwändig, teuer und funktionieren nur bei tiefen Temperaturen.

Neues Verfahren zur Hyperpolarisation

Ein neuer Ansatz aus Ulm will diese Nachteile dank Quantentechnologie umgehen. Eine wichtige Rolle spielen dabei extrem reine, künstliche Diamanten: In ihren Stickstofffehlstellenzentren 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 Physiklabor konnten Professor Fedor Jelezko, Leiter des Instituts für Quantenoptik, und Professor 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. Das neue Verfahren zur Hyperpolarisation ist übrigens ein unerwartetes Nebenprodukt des Projekts Bio-Q, in dem Plenio, Jelezko und Weil quantentechnologische Anwendungen in der Sensorik, Messtechnik und Bildgebung entwickeln – gefördert durch einen Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats über 10,3 Mio. Euro.

Kostengünstige Lösung für Forschung und Patientenversorgung

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 60 bis 90 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 (PET) 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 Professor Martin Plenio.

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