Diagnose mit Diamanten

Die Bildgebung der Magnetresonanztomographie (MRT) könnte eine Revolution erfahren: Mit Diamanten auf der Nano­meter­skala soll Tumorgewebe in Zukunft schneller erkannt und besser vom gesunden Nachbar­gewebe abgegrenzt werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich das Fraunhofer IAF, die Universität Ulm, die Firma NVision Imaging Technologies GmbH, die Hebrew University of Jerusalem und das Israeli Center for Advanced Diamond Technologies (ICDAT) in dem Verbund­projekt „DiaPol“ zusammen­geschlossen.

Die neuartige Technologie birgt große Chancen: Extrem genaue und schnell verfügbare Resultate machen es möglich, die Behandlung von Tumor­gewebe wesentlich effizienter auf den Patienten abzustimmen als bei bisherigen Verfahren. Nach einem Bericht des Robert-Koch-Instituts aus dem Jahr 2016 hat sich die absolute Zahl der Krebs-Neu­erkrankungen seit Anfang der 1970er Jahre in Deutschland fast verdoppelt. Zeit ist ein entscheidender Faktor – denn eine frühzeitige und exakte Diagnose kann Leben retten. In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Verfahren, mit denen verdächtige Gewebe­stellen im Körper erkannt werden können, immer genauer. Für Patienten besonders schonend und dabei effizient ist die MRT, da sie ohne schädliche Chemikalien oder radio­aktive Substanzen auskommt und drei­dimensionale, detail­reiche Schnitt­bilder von menschlichem Gewebe liefert.

Die klassische MRT nutzt unter anderem Magnet­felder, um hoch­auflösende Bilder zu erstellen. Der Körper eines Menschen besteht zu etwa siebzig Prozent aus Wasser. Jedes Wasser­molekül enthält zwei Wasserstoff­atome, deren Kerne magnetisch sind. Mit einem Polarisator werden die Magnet­felder der Kernspins in den Wasser­molekülen verstärkt und ausgerichtet. Das ist wichtig, denn: Je besser die Kernspins ausgerichtet sind, desto stärker ist auch das Signal der MRT und desto genauer werden die Ergebnisse. Unter dem Zusatz von Hoch­frequenz­impulsen werden bestimmte Atomkerne im Körper zusätzlich resonant angeregt, was als elektrisches Signal gemessen werden kann. Ein spezielles Programm wandelt alle Mess­ergebnisse anschließend in hoch­auflösende, drei­dimensionale Bilder um.

Für das neuartige MRT-Verfahren erweitern die Forscher das klassische Vorgehen mit einem Polarisator aus Nano­diamanten. Für den Polarisator spielen die eingebauten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren eine wichtige Rolle: Die Elektronen­spins in diesen Zentren erzeugen Magnet­felder, die auf andere Kern­spins übertragen werden können und diese somit ausrichten. Dadurch werden die Nano­diamanten oder externen Moleküle hyper­polarisiert. Sie können anschließend vor der MRT-Untersuchung in den Menschen injiziert werden und so die Empfindlichkeit der Bild­gebung deutlich steigern.

Als Experte auf dem Gebiet der Diamant-Nano­technologie ist das Fraunhofer IAF an dieser Stelle in das Projekt involviert. „Unsere Aufgabe besteht darin, den Diamanten auf der Nanoskala zu optimieren und die Stickstoff-Fehlstellen-Zentren einzubauen“, erklärt Verena Zürbig vom Fraunhofer IAF. Die Projekt­koordinatorin und Gruppen­leiterin für „Diamant“ ist überzeugt: „Die Polarisatoren mit den Diamanten werden die Empfindlichkeit des MRT gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen deutlich steigern.“ Die Firma NVision sieht in dem neuartigen Verfahren eine große Chance: „Es kann möglich werden, den Krebs nicht nur frühzeitig zu diagnostizieren, sondern zudem das Stadium der Krebs­zellen zu erkennen.“

Das Material Diamant hat dabei unschlagbare Vorteile: Die Hyper­polarisation unter Nutzung von Diamanten findet bei Raum­temperatur statt und ermöglicht somit eine viel schnellere und kosten­günstigere Methode im Vergleich zur Herstellung mit den bisherigen Techniken, die bei tiefen Temperaturen stattfinden. Ein Teilziel des DiaPol-Projekts ist der Bau von extrem kleinen, flexiblen und mobilen Diamant-Polarisatoren. Diese Neuerung soll für sehr schnelle Auswertungs­zeiten sorgen und somit die Wartezeit für Patienten auf ihre Ergebnisse von mehreren Wochen auf wenige Tage verkürzen. Stück für Stück soll mit den genaueren Mess­ergebnissen und der damit besseren Behandlung der Patienten die Unsicherheit, die bei der Krankheit für Ängste sorgt, abgebaut werden.

Fh.-IAF / DE