Verbundprojekt in der Neurochirugie Quantensensorik soll bei Hirn-OPs unterstützen

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Bei Operationen am Gehirn müssen die Chirurgen sicher erkennen, welches Gewebe tumorös ist und welches gesund, um Nervenbahnen und Hirnregionen zu schonen. Künftig sollen die Ärzte von Quantensensoren unterstützt werden.

Die Neurochirurgie ist eines der vielfältigsten Fachgebiete der Medizin, die sich mit den komplexesten Strukturen des menschlichen Körpers auseinandersetzt. Dazu zählen das Gehirn, das Rückenmark, die Nerven und die umgebenden Schädel- und Wirbelsäulenstrukturen. Von entscheidender Bedeutung ist in der Neurochirurgie ein tiefes Verständnis der funktionellen Aspekte des Nervensystems.

Chirurgen müssen nicht nur die strukturelle Integrität wiederherstellen, sondern auch sicherstellen, dass die normalen neurologischen Funktionen so weit wie möglich erhalten bleiben. Insbesondere der Motorkortex muss im Blick behalten werden, damit der Bewegungsapparat des Patienten funktionstüchtig bleibt. Führt etwa eine Nervenbahn vom Motorkortex zu einem Arm, darf diese nicht durchtrennt werden, sonst würde der Patient den Arm am Anschluss an den Eingriff nicht mehr bewegen können. Eine darauf ausgelegte Diagnostik hilft bereits heute, Nervenbahnen und Hirnregionen zu erkennen. Das Verbundprojekt Diaqnos soll als Leuchtturmprojekt der Quantensensorik in Zukunft Neurochirurgen außerhalb und innerhalb des Operationssaals unterstützen.

Ein OP-taugliches Gerät

Im Rahmen des Projekts arbeitet ein Konsortium der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) gemeinsam mit Partnern aus Forschung, Medizin und Industrie an einer Verfeinerung der diagnostischen Geräte, die bereits jetzt bei der Neuronavigation helfen. Das Projekt ist auf fünf Jahre angelegt. In dem Zeitraum soll innerhalb von drei Jahren ein OP-taugliches Gerät entwickelt werden, das anschließend zwei Jahre im Rahmen medizinischer Forschungen geprüft wird.

Bei diesen Tests wird u. a. Hirngewebe aus einer Gewebedatenbank in Freiburg erstmalig auf seine magnetischen Eigenschaften untersucht, insbesondere mit Fokus auf neue diagnostische Möglichkeiten für Hirntumore. Die Basis für Diaqnos legte bereits das Verbundprojekt Brainqsens, in dem ein Konsortium, an dem ebenfalls Forschende der JGU beteiligt waren, hochempfindliche Magnetsensoren entwickelte.

Quantensensorik nutzbar machen

Mit Brainqsens konnte die Magnetfeldsensorik so weit verbessert werden, dass damit prinzipiell die magnetischen Felder des Gehirns registriert werden können. „Nun geht es darum“, erklärt Dr. Arne Wickenbrock, Koordinator des Diaqnos-Projekts, „die nächsten Schritte auf dem Weg zur medizinischen Anwendung zu gehen und Quantensensorik für die Gesellschaft nutzbar zu machen.“ Entsprechend sind Neurochirurgen des Universitätsklinikums Freiburg sowie medizinische Gerätebauer der Inomed Medizintechnik GmbH in die Forschungen und Entwicklungen des Konsortiums eingebunden, das ebenso Mitarbeiter der Sacher Lasertechnik GmbH sowie der TTI GmbH (Technologie-Transfer-Initiative der Universität Stuttgart) umfasst.

Am Ende des Projekts ist geplant, mit einem neuartigen Quanten-Neuro-Analysator (QNA) für den Therapieerfolg entscheidende Fragen fortlaufend sogar während der Operation beantworten zu können. Die Informationsfülle, die das Gerät dann liefert, geht weit über das hinaus, was mit dem aktuellen Stand der Technik möglich ist. Wenn der Analysator erfolgreich erprobt wurde, soll er bei der Differenzierung von Hirntumoren sowie bei der Erkennung von Gehirnfunktion und gesundem Gewebe helfen. Weil zur Debatte steht, dass die Technologie in Zukunft auch zur Erkennung anderer maligner Erkrankungen eingesetzt werden kann und man ein hervorragendes Kommerzialisierungspotenzial sieht, wird die Diaqnos-Forschung mit fast 11 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Was ist ein Quantensensor?

Generell umfasst ein Quantensensor ein einzelnes Atom oder eine Menge von Atomen, die man sehr genau kontrollieren kann. Im Falle des Diaqnos-Projekts basieren die Sensoren auf Stickstoff-Fehlstellen in Diamanten; Magnetfeldsensoren im Nanomaßstab, die im Diamanten eingeschlossen sind und gemessen werden können. In einer dünnen Diamantschicht kann eine große Zahl dieser Magnetfeldsensoren existieren. „Somit wird es uns möglich, ein magnetisches Bild von dem Objekt zu erzeugen, das der Sensor sieht“, berichtet Wickenbrock.

Die Kommunikation des Nervensystems im menschlichen Körper funktioniert wiederum über elektrische Ladungen. Jede bewegte Ladung erzeugt ein Magnetfeld, die der Sensor erkennen und analysieren kann. Das Ergebnis ist dann im besten Fall die Information für den Chirurgen, welche Funktion das jeweilige Hirnareal hat, um den Schnittweg präziser und patientenschonender planen zu können.

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