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Radiologie: Ein Labor auf einem Chip beschleunigt das Synthetisieren von Präparaten für die Positronenemissionstomographie

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Für die Positronenemissionstomographie – besser bekannt unter dem Kürzel PET – sind organische Stoffe erforderlich, die radioaktive Isotope enthalten. Das Herstellen dieser Stoffe sollte idealerweise innerhalb einer Zeitspanne gelingen, die nicht deutlich über der Halbwertszeit des verwendeten radioaktiven Isotops liegt. Amerikanische Forscher beschleunigen die Synthese, so dass sich künftig Isotope mit kurzer Halbwertszeit verwenden lassen. Das ist sinnvoll, denn die Strahlung, die Patienten nach Abschluss der radiologischen Untersuchung aussenden, hat keinen diagnostischen Nutzen mehr.

Radioaktive Substanzen können Positronen frei setzen; treffen diese auf Elektronen, so zerstrahlen sie. Die so ausgesandten energiereichen Photonen lassen sich registrieren. Im Regelfall entstehen pro Zusammentreffen zwei Photonen, die in genau entgegen gesetzte Richtungen wegfliegen. Die Photonenenergie entspricht der Ruhemasse eines Elektrons. Die Photonenpaare lassen sich ortsaufgelöst nachweisen, so dass sich der räumliche Bereich der zerfallenden Atomkerne durch Vergleich vieler nachgewiesener Photonenpaare eingrenzen lässt.

Das mikromechanische Labor auf einem Chip im Größenvergleich mit einer knapp 2 cm großen Münze; es synthetisiert Präparate in Mengen zwischen einem Nanogramm und einem Mikrogramm. (Bild: Stephen R. Quake, Department of Bioengineering, Universität Stanford, USA)

Organische Stoffe, die radioaktive Isotope enthalten, lassen sich zum quantitativen Nachweis von Stoffwechselvorgängen nutzen. Maligne Tumore verraten sich durch einen das normale Maß bei weiten übersteigenden Stoffwechsel, sonst könnten sie nicht so schnell wuchern.

Eine amerikanische Arbeitsgruppe hat ein zwei Zentimeter großes Labor auf einem Chip konstruiert, mit dem sich organische Stoffe synthetisieren lassen, die für die Positronenemissionstomographie nötig sind. Die neue Methode ist nicht nur deutlich schneller als die bisherige, sie erspart auch viele Apparaturen im Labor. Zu der Arbeitsgruppe gehören sowohl Wissenschaftler mehrerer amerikanischer Hochschulen, unter anderen der Universität Stanford und des California Institute of Technology als auch Forscher aus der Industrie; so beteiligt sich beispielsweise die Firma Siemens. Die Forscher berichteten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 16. Dezember 2005 der Zeitschrift Science in Band 310 auf Seite 1793.

Diese Aufnahme soll die Untersuchung einer Maus mit dem heute üblichen Fluor 18-Präparat nachbilden. Das Graustufenbild im Hintergrund ist ein Computertomogramm, also eine Röntgenaufnahme. Die mittels PET gemessene Intensität der vom radioaktiven Präparat herrührenden hochenergetischen Photonen ist farbig codiert. Maligne Tumore verraten sich durch einen besonders starken Stoffwechsel, was sich wiederum zum Nachweis durch radioaktiv markierte organische Stoffe ausnutzen lässt. (Brain: Gehirn, lacrimal: Tränenbein, gland: Drüse, lymph node: Lymphknoten, heart: Herz, kidneys: Nieren, bladder: Blase) (Bild: Stephen R. Quake)

Ein sehr gängiges PET-Präparat ist eine organische Verbindung, die das Isotop Fluor 18 enthält. Dessen Halbwertszeit beträgt fast zwei Stunden, das Herstellen dauert heutzutage rund 50 Minuten. Im Jahr 2004 untersuchten Ärzte weltweit zwei Millionen Mal Patienten mittels dieses Präparats.

Die amerikanischen Forscher hoffen, dank ihrer schnelleren Synthese, künftig radioaktive Isotope mit kürzerer Halbwertszeit verwenden zu können, beispielsweise Kohlenstoff 11 und Stickstoff 13 mit Halbwertszeiten von 20 beziehungsweise 10 Minuten.