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Für interdisziplinäre Forschungsleistung ausgezeichnet
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Verbesserte Tumordiagnostik durch hyperpolarisiertes Fumarat

TUK-Wissenschaftlerin Dr. Kerstin Münnemann hat als Teil eines internationalen Teams aus Chemikern, Physikern und Ingenieuren ein neuartiges Kontrastmittel entwickelt: Hyperpolarisiertes Fumarat. Der Ansatz kann unter anderem dabei helfen, eine Krebstherapie zu verkürzen. Die Helmholtz-Gesellschaft hat die interdisziplinäre Forschungsleistung mit dem Erwin-Schrödinger-Preis 2021 ausgezeichnet, der mit 50.000 Euro dotiert ist.

Von Unispectrum live • Christine Pauli

Seit 1976 kommt die sogenannte Kernspintomografie zum Einsatz - auch Magnetresonanztomografie genannt, oder kurz MRT. Ein in der Medizin heutzutage häufig angewendetes bildgebendes Verfahren: Die Methode nutzt die Tatsache, dass Wasserstoff das vorherrschende Element im menschlichen Körper ist - und basiert auf der Eigenschaft von Wasserstoffatomen, sich um die eigene Achse zu drehen. Durch diese als Kernspin bezeichnete Drehung entsteht ein schwaches Magnetfeld. Wasserstoffatome sind also wie kleine Magnete, die vollkommen ungeordnet in verschiedene Richtungen zeigen. Der Kernspintomograf jedoch erzeugt ein Magnetfeld, dass die Wasserstoffatome im Körper wie Kompassnadeln parallel zueinander ausrichtet. Gelangen die Kerne wieder in ihren Ausgangszustand, dann senden sie elektromagnetische Wellen aus. Diese Signale werden gemessen und mithilfe eines Computers verarbeitet: Ein MRT liefert so Bilder des Körperinneren.

Weichteile oder Erkrankungen des zentralen Nervensystems werden auf diese Weise untersucht. „Man kann so beispielsweise auch einen Tumor von gesundem Gewebe unterscheiden“, erklärt Dr. Kerstin Münnemann, die als Arbeitsgruppenleiterin am Lehrstuhl für Thermodynamik der Uni Kaiserslautern forscht: „Tumore sind beispielsweise mit weniger Blutgefäßen ausgestattet. Sie haben einen anaeroben Stoffwechsel. Auch wachsen die entsprechenden Zellen weniger dicht.“ Besonderheiten, die dabei helfen können, eine Krebserkrankung im MRT auszumachen.

Bildgebung verbessern: Im MRT mehr sichtbar machen

„Die Kernspinresonanz greift nicht in den Körper ein und kommt ohne Röntgen- oder ionisierende Strahlung aus“, zählt Kerstin Münnemann die weiteren Vorteile der Methode auf. „Im Gegensatz zu anderen bildgebenden Verfahren eignet sie sich deshalb für das langfristige Patienten-Monitoring.“ Wenn es also beispielsweise darum gehe, den Verlauf oder den Erfolg einer Krebstherapie kontinuierlich zu überwachen: „Ohne Bedenken kann man ein MRT so oft wie nötig wiederholen.“  

Doch ganz so einfach, wie es zunächst scheint, ist es dann leider doch nicht: Das entsprechende Verfahren ist nicht so sensitiv wie Röntgenmethoden. Vereinfacht gesagt, das Signal ist relativ schwach, muss verstärkt werden. Genau daran arbeitet Kerstin Münnemann: Es geht um eine Methode namens Hyperpolarisation. Wie kann man einem Laien erklären, was dahinter steckt? Kerstin Münnemann: „Die Signalstärke des Kernspin wird intensiviert. Von einer Millionen Wasserstoffkernen lassen sich bislang nur sechs ausmachen. Durch das Hyperpolarisations-Verfahren werden nun alle Kerne auf einmal wahrgenommen.“ Es gebe mehrere chemische und physikalische Möglichkeiten, eine solche Hyperpolarisation zu erreichen: „Mir ist es gelungen, mittels Parawasserstoff, einem Isomer von Wasserstoff, hyperpolarisiertes Fumarat herzustellen.“ Dieses könne – im Rahmen einer bildgebenden Untersuchung – einem Patienten oder eine Patientin injiziert werden – und schon ließe sich, vereinfacht ausgedrückt, auf den MRT-Bildern wesentlich mehr erkennen. Kerstin Münnemann: „Fumarat ist Bestandteil des natürlichen Energiestoffwechsels in jeder Zelle und somit physiologisch unbedenklich.“ Im hyperpolarisierten Zustand liege das Molekül in einem besonders langlebigen Spin-Zustand vor. Dieses magnetisch aktivierte Fumarat könne man zwar per Kernspin nicht sehen, „aber das Malat, zu dem es verstoffwechselt wird.“

Das neue Verfahren könnte eine Chemotherapie verkürzen

„Fumarat kann in sterbende Zellen eindringen aber nicht in gesunde“, berichtet Kerstin Münnemann weiter. „Es ist sozusagen ein Marker für sterbende Zellen.“ So könne man unter anderem frühzeitig erkennen, ob eine Krebstherapie erfolgreich verläuft: „Damit ließe sich auch eine Chemotherapie verkürzen. Da man so nun früher als bislang ausmachen kann, ob ein Tumor noch aktiv ist. Oder ob er schon zu abzusterben beginnt.“ Und genau diese Informationen können helfen, zu beurteilen, ob möglicherweise weniger Chemotherapeutika notwendig sind: „Was für den Krebspatienten oder die -patientin eine erhebliche Erleichterung wäre. Eine Chemotherapie ist ja kein Spaziergang.“

Dem mit dem Erwin-Schrödinger-Preis ausgezeichneten Team ist es gelungen hyperpolarisiertes Fumarat so weit aufzuarbeiten, dass es in der Medizin eingesetzt werden kann: „Es ist nun als Reinstoff in Lösung vorhanden. Ohne Zwischenstoffe, die möglicherweise Nebenwirkungen hervorrufen könnten.“ Und Münnemann erklärt weiter: „Wir konnten den Hyperpolarisationsprozess von Fumarat vereinfachen und wesentlich kostengünstiger machen, um so die Technik für eine breitere Basis zur Verfügung stellen.“ Hyperpolarisation komme zwar heute schon bei MRT-Untersuchungen in einigen besonders gut ausgestatteten Laboren und Kliniken zum Einsatz, ergänzt die Wissenschaftlerin. Aber: „Bislang war die Methodik sehr kostenintensiv und zu kompliziert, was einen breiteren Einsatz verhindert hat.“

Kerstin Münnemann betont, dass das Projekt eine Gemeinschaftsleistung mehrerer Kooperationspartner gewesen sei. Als Chemikerin bestand ihr Anteil vor allem darin, die primären Fragestellungen voranzutreiben. „Andere Partner bringen das Ganze nun in einen klinischen Kontext.“ Kernspinresonanz sei übrigens nicht nur für die Medizin relevant, ergänzt Kerstin Münnemann. „Das Verfahren an sich bietet einen riesigen Informationsgehalt auch für die Chemie, die Biologie und die Physik.“ Auch hier stellen hyperpolarisierte Moleküle einen großen Mehrwert dar.

Vorerfahrung im medizinischen Bereich war für die Wissenschaftlerin eine Hilfe

Die Forscherin weiß, wovon sie spricht – mit interdisziplinären Herangehensweisen kennt sie sich bestens aus. Kerstin Münnemann hat bis 2002 an der RWTH Aachen Chemie studiert. Bereits seit ihrer Promotion beschäftigt sie sich mit verschiedenen Hyperpolarisationsverfahren. Als Postdoktorandin in der Radiologie der Universitätsmedizin Mainz habe sie sich von 2006 bis 2008 dann sehr intensiv auch mit bildgebenden Verfahren auseinandersetzen können, wie sie berichtet: „Es ging beispielsweise darum, den Blutfluss im Körper darzustellen.“ Die Arbeit dort sei natürlich sehr klinisch orientiert gewesen. Und dabei habe sie unter anderem auch gelernt, welche Probleme es bei diagnostischen Verfahren gibt. So habe sie sich etwa damit beschäftigen können, wie sich ein MRT der Lunge verbessern lässt: „In der Lunge ist nicht viel Wasser. Man findet dort vor allem eine Anhäufung von Luftbläschen vor. Das erschwert ein MRT.“ Um die Bildgebung zu verstärken, hat Münnemann an einem Diagnose-Ansatz mitgearbeitet, bei dem zu Untersuchende hyperpolarisierte Gase einatmen: „Dadurch ließ sich wesentlich mehr darstellen. Was beispielsweise bei Erkrankungen wie COPD oder Asthma eine Hilfe ist.“ Nach ihrer Tätigkeit an der Universitätsmedizin war sie von 2008 bis 2016 als Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz tätig. Hier habe sie – im Rahmen ihrer wissenschaftlichen Arbeit – mit der Hyperpolarisation mittels Parawasserstoff begonnen.

„LASE Labor zieht Spitzenforschung an“

Im Jahr 2016 kam Kerstin Münnemann an die Uni Kaiserslautern. Fragt man, warum ihre Wahl auf die TUK fiel, dann erwidert sie sehr schnell, dass dies vor allem auch an der Aussicht gelegen habe, „in dem tollen LASE Labor arbeiten zu dürfen“. LASE bedeutet „Laboratory for Advanced Spin Engineering“. In dem neuen Forschungsgebäude der TUK werden etwa 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften über Grundlagen und technische Anwendungen des Spins forschen. Also, vereinfacht gesagt, den Eigendrehimpuls von Teilchen untersuchen. „Die neue Einrichtung zieht Spitzenforschung an“, sagt Kerstin Münnemann stolz. Dass die Forschungsarbeit der Uni Kaiserslautern eine breite Anerkennung erfährt, zeigt auch die Auszeichnung mit dem Erwin Schrödinger Preis: Der Wissenschaftspreis ehrt seit 1999 herausragende wissenschaftliche oder technisch innovative Leistungen, die in Grenzgebieten zwischen verschiedenen Fächern der Medizin, Natur- und Ingenieurwissenschaften zu finden sind. Sie fühle sich sehr geehrt, sagt Kerstin Münnemann, dass sie als Teil eines interdisziplinären Teams diese Anerkennung erfährt.