Physik, Laserentwicklung, Polarisator
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der Laufzeit der Forschergruppe ist es in TP1 gelungen, den weltweit leistungsfähigsten 3He-Polarisator aufzubauen, der 80 bar Liter hyperpolarisiertes 3He pro Tag mit einer Polarisationsrate von mehr als 60% herstellen kann. Diese Leistung, in Kombination mit der Entwicklung einer Infrastruktur zum praktisch relaxationsfreien Transport des 3He, einer Einheit zur reproduzierbaren Applikation an Patienten und schließlich eines Verfahrens zur fast vollständigen Wiedergewinnung dieses seltenen Isotops aus der Atemluft bilden die Basis für den Erfolg der klinischen Lungenbildgebung mit 3He. Mittlerweile sind fast alle Schritte des 3He-Kreislaufes von der Polarisation bis zum Recycling behördlich freigegeben, und das hyperpolarisierte Gas kann ohne Bedenken zur Untersuchung von lungenkranken Patienten eingesetzt werden. Somit hat TP1 maßgeblich dazu beigetragen, die Diagnostik und Therapie von Lungenkrankheiten zu verbessern. Darüber hinaus sind viele wichtige Fragestellungen der akademischen Grundlagenforschung durch TP1 beantwortet worden, was sich in zahlreichen erfolgreichen Diplom- bzw. Doktorarbeiten und hochrangigen Publikationen oder Patenten niedergeschlagen hat. Zum Beispiel wurde der Mechanismus der Wandrelaxation von hyperpolarisierten Gasen eingehend untersucht, mit dem Resultat, dass Gläser entwickelt werden konnten, die den Transport von hyperpolarisiertem 3He bis nach Australien erlauben. Des Weiteren ist es gelungen, durch die systematische Analyse des Einflusses des Diffusionsverhaltens von 3He auf die Magnetresonanztomographie, Bildgebungsparameter so einzustellen, dass gezielt nur große (Trachea oder Bronchialbaum) oder kleine Strukturen (Alveolen) abgebildet werden oder die Ortsauflösung der Bildgebung mit hyperpolarisiertem 3He entscheidend verbessert werden kann. Dies sollte in der Zukunft auch eine gezielte Darstellung verschiedener Krankheitsbilder wie z.B. Asthma oder COPD ermöglichen, wie sie nun im Rahmen eines Nachfolgeprojektes der Forschergruppe (BMBF-Projekt: Asthma-MRI) realisiert werden soll. Auch ein weiteres hyperpolarisiertes Gas, nämlich 129Xe, ist in TP1 hinsichtlich seiner Bildgebungseigenschaften untersucht wurden. Xe unterscheidet sich von He darin, dass es in biokompatiblen Flüssigkeiten löslich ist, die z.B. intravenös injiziert werden können und so die simultane Messung der Lungenperfusion und der Membranpermeabilität der Lunge ermöglichen. TP1 hat ein vielbeachtetes Verfahren entwickelt, wie hyperpolarisiertes Xe auf molekularer Ebene in eine Flüssigkeit gelöst werden kann und die MRT-Bildgebung dieser Systeme optimiert. Schliesslich ist es in TP1 (in Zusammenarbeit mit TP4) gelungen, auch andere Kerne erfolgreich zu polarisieren (1H, 13C, 15N) und damit ein inhärentes NMR-Problem, nämlich die geringe Signalintensität, zu überwinden. Dazu wurden zwei verschiedene Polarisationsverfahren verwendet, Parawasserstoff induzierte Polarisation (chemisches Verfahren) und dynamische Kernpolarisation (physikalisches Verfahren). Beide Methoden funktionieren nun in Mainz reproduzierbar und ermöglichen die Herstellung von hyperpolarisierten flüssigen Kontrastmitteln, die bereits in ersten Bildgebungsexperimenten erprobt worden sind und zukünftig in der molekularen Bildgebung zur Aufklärung von Stoffwechselprozessen eingesetzt werden sollen. Die Vielfalt der damit in Mainz zur Verfügung stehenden Polarisationsverfahren sucht andernorts ihresgleichen.
