Doorbraak in de MRI-diagnostiek

Kerstin Münnemann is als Teil eines internationalen Teams mit dem Erwin-Schrödinger-Preis ausgezeichnet worden. (Foto: TUK/Koziel)

De kernspinresonantie (NMR) is een niet-invasieve beeldvormingstechniek die bijvoorbeeld wordt ingezet in de medische diagnostiek (Magnetische Resonantie Imaging, MRI). Om de methode effectiever te maken, heeft Dr. rer. nat. Kerstin Münnemann, die aan de leerstoel Thermodynamica van de TU Kaiserslautern (TUK) onderzoek doet, als onderdeel van een internationaal team van chemici, fysici en ingenieurs een nieuw contrastmiddel ontwikkeld: hypergepolariseerd fumaraat. Samen konden de onderzoekers de methodiek tot aan de beeldvorming uitwerken. Deze interdisciplinaire prestatie heeft de Helmholtz-Gesellschaft nu bekroond met de Erwin Schrödinger-prijs 2021, die is voorzien van 50.000 euro.

“De kernspinresonantie grijpt niet in op het lichaam en komt zonder röntgen- of ioniserende straling uit,” legt Münnemann uit, die haar werk in de toekomst zal voortzetten in het onderzoeksgebouw LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) aan de TUK. “Daardoor is NMR in principe — in tegenstelling tot andere beeldvormingstechnieken zoals CT — geschikt voor langdurige patiëntmonitoring. Bijvoorbeeld wanneer het gaat om het continu volgen van het verloop of het succes van een kankerbehandeling.”

Er is echter nog een “haken en ogen”: stofwisselingsprocessen kunnen niet zichtbaar worden gemaakt, omdat de moleculen die daarbij door de beeldvorming kunnen worden waargenomen in te kleine concentraties voorkomen. Met andere woorden, er is een signaaloptimalisatie nodig. Hier heeft Münnemann belangrijke voorbereidingen getroffen: de chemicus gebruikt sinds haar diploma verschillende methoden van hyperpolarisatie om stoffen magnetisch en langdurig te markeren. “Het is mij gelukt om met behulp van parawaterstof, een isomeer van waterstof, hypergepolariseerd fumaraat te produceren. Fumaraat is onderdeel van het natuurlijke energiemetabolisme in elke cel en dus fysiologisch onschadelijk. In de hypergepolariseerde toestand bevindt het molecuul zich in een bijzonder langdurige spin-toestand. Dit magnetisch geactiveerde fumaraat kunnen we weliswaar niet zien met NMR, maar wel het malaat, waaraan het wordt omgezet.”

Samen met haar onderzoekscollega’s heeft ze de chemisch functionerende procedure verder ontwikkeld via praktische experimenten in levende cellen tot aan de beeldvorming. Münnemann: “Hyperpolarisatie wordt tegenwoordig al gebruikt bij MRI-onderzoeken in enkele goed uitgeruste laboratoria en klinieken. Tot nu toe was de methode echter zeer kostbaar, wat een breder gebruik verhinderde.” Met de verfijnde hyperpolarisatietechniek, die niet alleen gebaseerd is op een natuurlijk voorkomend molecuul in het lichaam, maar ook gevoeliger, sneller en kosteneffectiever is, hebben de onderzoekers nu de basis gelegd om op stofwisselingsbasis gebaseerde NMR breder en veiliger toegankelijk te maken voor medische diagnostiek. “Hiermee is het bijvoorbeeld mogelijk om stervende tumorcellen zichtbaar te maken in het kader van een kankerbehandeling — voordat de tumor überhaupt begint te krimpen,” voegt de chemicus toe.

Over de Erwin Schrödinger-prijs

De wetenschappelijke prijs van de Stifterverband — Erwin Schrödinger-prijs — beloont sinds 1999 uitmuntende wetenschappelijke of technisch innovatieve prestaties die zijn bereikt op grensgebieden tussen verschillende medische, natuur- en ingenieurswetenschappen en waaraan onderzoekers van ten minste twee disciplines hebben bijgedragen. De prijs is voorzien van een bedrag tot 50.000 euro. Ze wordt doorgaans jaarlijks tijdens de Helmholtz-jaarbijeenkomst officieel uitgereikt.