Neue Bilder für moderne Krebstherapie

25. Februar 2005, 19:29
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Grazer Forscher kombinieren bildgebende Verfahren und höhere Mathematik

Auch Tumoren und ihre Metastasen leben von den Nährstoffen im Blut. Werden sie vom Blutkreislauf abgeschnitten, droht ihnen eine Art Hungertod. Aus diesem Grund versuchen moderne Krebstherapien die Blutzufuhr zum Tumor zu unterbrechen. Für die Anwendung und Kontrolle dieser Therapien ist es allerdings essenziell, dass man die Blutzufuhr beschreiben kann und über funktionierende Modelle der Perfusion, also des Blutflusses in den Gefäßen, verfügt. Im Rahmen des vom Wissenschaftsfonds geförderten Spezialforschungsbereichs "Optimierung und Kontrolle" an der Universität Graz konnten derartige Modelle verbessert werden. Eine Schlüsselrolle kam dabei dem Parallel Imaging zu, einer optimierten Form der Magnetresonanz-Bildgebung.

"Man kann die Bilder, die bei einer Magnetresonanz-Untersuchung entstehen, einfach anschauen und sich mit den subjektiven Erkenntnissen zufrieden geben, die sich mit freiem Auge gewinnen lassen. Oder man versucht, die Bildinformation in Zahlen auszudrücken und zu objektivieren", erklärt Rudolf Stollberger, Professor für Medizinische Physik an der Grazer Uniklinik für Radiologie. Er tut Letzteres, gewinnt dadurch funktionelle Informationen über Perfusion und Gefäßpermeabilität, also über Durchlässigkeit der Gefäße für verschiedene Moleküle. Die meisten Tumoren wachsen wesentlich rascher als normales Gewebe; aus diesem Grund ist die Gefäßversorgung bei diesen Tumoren auch wesentlich besser ausgeprägt. Weiters sind die Kapillaren durchlässiger und die Perfusion ist höher.

Für die Charakterisierung von Tumoren und für die Kontrolle von speziellen Therapien ist es daher von großer Bedeutung, Faktoren wie etwa die Gefäßpermeabilität sehr selektiv bestimmen zu können. Um eine solche selektive Bestimmung vornehmen zu können, wird heute auf moderne, dynamische Magnetresonanz-Untersuchungen zurückgegriffen: Diese basiert darauf, dass ein Kontrastmittel in jenes Gewebeareal gebracht wird, das untersucht werden soll. Konkret breitet sich das Kontrastmittel über die Arterien aus; seine Bewegung oder der Zeitverlauf seiner Gewebekonzentration sagt folglich auch etwas über die Bewegung des Blutes bis hinein in die feinsten Kapillaren aus. Was wiederum, und das ist das Entscheidende, Rückschlüsse auf verschiedene physiologische, die Durchblutung beeinflussende Parameter zulässt: Zum Beispiel "auf das Blutvolumen, auf die Durchlässigkeit der Gefäße oder auf die Geschwindigkeit, mit der das Blut im Gewebe ausgetauscht wird", erklärt Stollberger.

Um den Zeitverlauf der Kontrastmittelkonzentration im Gewebe bestimmen zu können, wird die untersuchte Region in möglichst kurzen Abständen abgebildet. Wobei die zeitliche Auflösung dieser Untersuchung von ganz entscheidender Bedeutung dafür ist, welche Information man gewinnen kann: Um alle Aspekte der Durchblutung abbilden zu können - insbesondere auch die Perfusion -, muss eine Region in wenigen Sekunden untersucht werden. Um diese Bedingungen erfüllen zu können, musste man bisher Kompromisse bei der räumlichen Auflösung eingehen. Das führt aber gerade bei der Abklärung von Tumoren zu erheblichen Nachteilen, weil es bei den rasch wachsenden heterogenen Tumoren durch so genannte Teilvolumeneffekte zu falschen Ergebnissen kommt: Wo die räumliche Auflösung gering ist, werden unterschiedliche Gewebe zu dem Bildelement, das die Untersuchung produziert, beitragen; das Bild wird unscharf und verfälscht.

Um zu Daten zu gelangen, mit denen sich ein auch für Tumoren adäquates Perfusionsmodell testen lässt, "ist somit eine hohe Zeitauflösung der Untersuchung bei gleichzeitiger Detailtreue notwendig", sagt Stollberger: Eine schnellere Datenakquisition oder Bildfolge ist gefordert, die aber nicht an Qualität oder räumlicher Auflösung einbüßen darf. Und genau diese schnellere Akquisition kann aufgrund der Grazer Forschungen nun geleistet werden: mit Parallel Imaging. Dabei wird nicht nur mit einer, sondern mit mehreren Empfangsspulen arbeitet. In der Magnetresonanz-Untersuchung ist die Empfangsspule dazu da, das erzeugte Magnetresonanzsignal aufzunehmen. Wird nur mit einer Spule gearbeitet, muss man laut Stollberger ein Bild vollständig kodieren, das heißt, für ein Bild mit 256 mal 256 Bildpunkten 256 verschieden kodierte Signale empfangen. Kommen hingegen vier Spulen zum Einsatz, kann bereits aus 64 entsprechend kodierten Signalen ein Bild mit 256 mal 256 Bildpunkten rekonstruiert werden: eine vierfach schnellere Datenakquisition.

Damit das gelingt, müssen die Empfangsspulen an unterschiedlichen Stellen über dem untersuchten Körper positioniert sein und so gleichsam die Möglichkeit haben, die Magnetresonanzsignale auch unterschiedlich zu empfangen. Die von dieser Untersuchungstechnik gelieferten Daten erlauben nicht nur die Entwicklung von Modellen für die Durchblutung und das Kapillarsystem, die für die Krebsbekämpfung von Bedeutung sind; ganz generell sind diese Modelle auch feinmaschiger als ihre Vorgänger. Die Entwicklung neuer Kontrastmittelmoleküle für die Magnetresonanz-Untersuchung soll in Zukunft diese Technologie noch weiter verbessern.

Die Gewinnung und Differenzierung von gewebespezifischen Größen spielt in der quantitativen Auswertung bildgebender Verfahren eine zentrale Rolle: Immer wieder geht es darum, neue Marker zu bestimmen, die Krankheitsbilder umfassender beschreiben und folglich neue Therapieansätze wie eben das Aushungern von Tumoren unterstützen. Das Arbeiten mit Parallel Imaging ist dabei nur ein Baustein; letztlich bedarf es eines interdisziplinären Ansatzes, der die Forschung von Klinikern, Diagnostikern, aber auch von Biophysikern und Mathematikern integriert. Wo ein solches breites Team existiert, können auch Grundlagenfragen diskutiert werden, die über die Probleme der Perfusion oder der Permeabilität hinausgehen. Zum Beispiel die, wie man sich denn überhaupt eine Kapillare vorzustellen hat: Ein gängiges Modell operiert etwa mit einer repräsentativen (durchschnittlichen) Kapillare, die idealtypisch für alle Kapillaren steht. Dank dieser Annahme war es möglich, bei der mathematischen Modellierung mit spezifischen Funktionen zu arbeiten. Tut man das, so kann man - wenn man den Kontrastmittel-Konzentrationsverlauf in Arterien und Gewebe kennt - mithilfe komplexer mathematischer Operationen die verschiedenen Parameter, die diesen Konzentrationsverlauf beeinflussen, herausrechnen. Allerdings muss man nicht unbedingt so vereinfachend vorgehen, wie Stollberger erklärt: "Im Spezialforschungsbereich wurde auch parameterfrei gearbeitet."

Die gewonnen Erkenntnisse und Verfahren kommen auch Schlaganfallpatienten zugute, "weil etwa im Rahmen der Lyse-Therapie leichter bestimmt werden kann, welche Gewebeteile noch gerettet werden können", erklärt Stollberger. Was bedeutet, dass man dank der neuen Perfusionsmodelle besser entscheiden kann, wo eine Therapie Sinn macht und wo nicht. (Christian Eigner/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 26./27. 2. 2005)

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