Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Gateway for politics

Videos of a beating heart

Dedication of the Magnetic Particle Imaging (MPI) Laboratory at the Charité university hospital in Berlin, with Minister of Research Dr. Johanna Wanka, a cooperation project with PTB

12.06.2015

Filming the blood flowing through a beating heart? This is now possible thanks to a new technology called Magnetic Particle Imaging (MPI). This brand new procedure can detect magnetic iron oxide nanoparticles inside the body with high sensitivity and with high temporal and spatial resolution; this can help detect, for example, cardiovascular problems or tumors. At the Charité university hospital in Berlin, an MPI device developed in Germany has now been dedicated which was partly funded with almost 4 million euros by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) within the scope of a large-device project. The Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) was one of the partners in this cooperation project; it is responsible for the metrological characterization of the nanoparticles used. During her address, Federal Research Minister Dr. Johanna Wanka emphasized the importance of the opportunities provided by this new diagnostic procedure which is currently in the experimental test phase.

from left to right: Prof. Lutz Trahms (PTB), Prof. Johanna Wanka, Eva Braun, Steffen Krach, Prof. Matthias Taupitz (Charité), Prof. Joachim Ullrich (PTB president) (Photo: PTB, Marvin Rust)

Bundesforschungsministerin Johanna Wanka sagte in ihrem Grußwort: „Forschung führt zu neuen Diagnoseverfahren, die den Arzt unterstützen, Krankheiten schneller und eindeutiger zu erkennen. Wenn wir den menschlichen Körper besser verstehen, können wir auch eine wirkungsvollere Behandlung ermöglichen und den Patienten besser helfen.“

Schon jetzt lassen sich mit dem neuen Gerät dreidimensionale Filme des Blutflusses in schlagenden Mäuseherzen in Echtzeit generieren. Das Verfahren befindet sich in der experimentellen Erprobungsphase. Wenn es ausgereift ist, könnte es bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder auch bei Krebs schneller und empfindlicher als der Positronen-Emissions-Tomograf (PET) und die Magnetresonanztomografie (MRT) Bilder erzeugen, die zu diagnostischen Ergebnissen führen. Pathologische Veränderungen im Millimeterbereich würden dann sofort sichtbar gemacht.

Das Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine ausgeklügelte magnetische Messtechnik. Sie empfängt Signale von durch den menschlichen Körper wandernden Sonden: ungiftigen magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln, die injiziert werden und im Blutkreislauf mitschwimmen. Weil diese magnetischen „Tracer“ auf ein eingestrahltes äußeres Magnetfeld reagieren, funken sie gewissermaßen ständig ihren Standort nach außen. Ihre relativ schwachen Signale werden vom MPI-Gerät hochgenau und in Echtzeit erfasst, sodass sich der Blutfluss wie in einem Film beobachten lässt. Stauen sich die Tracer an einem Engpass am Herzen oder reichern sie sich in einem Tumor an, dann haben die Radiologen einen Hinweis auf eine ernste Erkrankung. „Vielleicht wird es schon in zehn Jahren möglich sein, gefährliche Arterienverengungen, Entzündungen, Degenerationen oder Tumore selbst bei diffusen Krankheitsbildern und Symptomen im Ganzkörperscan zu lokalisieren“, sagt Matthias Taupitz, Stellvertretender Direktor der Klinik für Radiologie am Campus Benjamin Franklin der Charité. Der Radiologe ist der Leiter der DFG-geförderten Klinischen Forschergruppe „Magnetische Eisenoxid-Nanopartikel für die Zelluläre und Molekulare MR-Bildgebung“. Darin arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in neun Teilprojekten schon seit 2008 an der Entwicklung dieser kleinen Teilchen, die neben dem Einsatz im MPI auch in der Magnetresonanztomografie als Kontrastmittel dienen können.

Von Anfang an mit dabei: die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), das nationale Metrologieinstitut Deutschlands, mit ihrer physikalischen Kompetenz. Ihre Aufgabe ist die umfassende messtechnische Charakterisierung der neu entwickelten Eisenoxid-Nanopartikel. „Denn natürlich müssen wir ganz genau kennen, was da als Tracer eingesetzt wird. Das ist wichtig für eine quantitative Interpretation der MPI-Bilder“, erläutert Lutz Trahms, der Leiter des PTB-Fachbereichs „Biosignale“. Er und seine Kollegen nutzen dazu eine große Zahl unterschiedlicher Hightech-Messgeräte und verschiedene Messverfahren: Magnetsuszeptometrie, Magnetpartikelspektrometrie (MPS) sowie die in der PTB entwickelte Magnetrelaxometrie. Zudem entwickeln sie auf der Basis mathematischer Modelle Simulationsrechnungen, mit denen sie die experimentellen Untersuchungen vergleichen, um weitere grundlegende Erkenntnisse über die Nanopartikel und ihr Verhalten zu sammeln.

Pünktlich zur Einweihung des gemeinsamen Forschungslabors an der Charité auf dem Campus Virchow-Klinikum haben die Wissenschaftler der Charité ein MPI-taugliches Kontrastmittel parat, das nun in den nächsten Jahren gründlich getestet werden soll. Dabei wird natürlich auch die Erfahrung im Umgang mit dem neuen MPI-Verfahren wachsen. Aber schon jetzt sind sich alle Beteiligten einig: Mit der neuen Technik eröffnen sich faszinierende diagnostische Möglichkeiten.

Die DFG fördert das Projekt im Rahmen ihrer Großgeräteinitiative zum „Magnetic Particle Imaging“ mit knapp 4 Millionen Euro. Außerdem wird das Kooperationsprojekt im Rahmen des Verbundprojektes MAPIT vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Weitere Projektpartner neben der Charité und der PTB sind die Firmen Philips und Bruker als Entwickler der MPI-Technologie und Hersteller der präklinischen MPI-Scanner, das Pharmaunternehmen Bayer sowie die Universität Lübeck.

Contact at PTB

Dr. Lutz Trahms, head of PTB Department "Biosignals"
Phone: +49(0)30 3481-7213
E-mail: lutz.trahms(at)ptb.de

Contact at Charité

Prof. Dr. Matthias Taupitz, Klinik für Radiologie
Phone: +49(0)30 84453041
E-mail: matthias.taupitz(at)charite.de