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Physiker messen die Energie des Herzens

24.03.1999 - (idw) Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Mit Hilfe der Kernmagnetresonanz lassen sich nicht nur Bilder aus dem Inneren des Körpers, sondern auch chemische Analysen der Gewebe erstellen - und zwar ohne dass ein operativer Eingriff nötig ist. Physiker und Mediziner der Universität Würzburg arbeiten daran, ein solches Verfahren für den klinischen Einsatz fit zu machen. Es soll künftig Informationen über den Energiehaushalt des Herzmuskels liefern.


So werden Informationen über die Stoffwechselvorgänge im Herzen gewonnen. Die linke Herzkammer dieses isolierten Rattenherzens enthält einen mit der Referenzsubstanz TSP gefüllten Druckballon.
NMR-Spektrum aus einem isolierten Rattenherzen. Neben der Referenzsubstanz TSP tauchen Gesamtkreatin (P)Cr, Carnitin und Taurin auf. Bei 4,7 ppm erscheint das stark unterdrückte Wassersignal. Die Kernmagnetresonanz (NMR) stellt für die medizinische Diagnostik ein wichtiges Instrument dar, denn sie arbeitet berührungsfrei und auf der Grundlage von Magnetfeldern - im Gegensatz zur Computer-Tomographie, die nicht ohne Röntgenstrahlung auskommt. Bekannt ist die NMR-Technik in erster Linie durch ihre bildgebenden Verfahren, bei denen Organe oder Körperregionen anatomisch dargestellt werden. Im Gegensatz dazu wird bei der NMR-Spektroskopie das Gewebe nicht abgebildet, sondern chemisch analysiert: In einem NMR-Spektrum lässt sich beispielsweise das Vorhandensein oder Fehlen bestimmter Stoffwechselprodukte nachweisen. Zudem können Aussagen über die Menge der interessierenden Stoffe getroffen werden.

Zur Untersuchung des Energiestoffwechsels am Herzen findet die Phosphor-NMR-Spektroskopie schon ihren Einsatz. Auch mit der Wasserstoff-NMR-Spektroskopie lassen sich Substanzen nachweisen, die wichtige Einblicke in den physiologischen Zustand des Herzmuskels geben. Doch obwohl die zuletzt genannte Methode wesentlich empfindlicher ist, werde sie aufgrund großer methodischer Schwierigkeiten am Herzen bislang kaum eingesetzt, wie der Würzburger Physiker Jürgen Schneider erläutert: Problematisch sei unter anderem die Bewegung des Herzens. Außerdem weise das Verfahren auch Wassermoleküle nach, und somit werde das Spektrum von einem Wassersignal dominiert, das mehr als 10.000 Mal stärker ist als die Signale der interessierenden Substanzen. Diese können also nur dann gemessen werden, wenn die Unterdrückung des Wassersignals gelingt.

Die Substanzen, die von der Wasserstoff-NMR-Spektroskopie erfasst werden, sind neben Kreatin und Laktat insbesondere Aminosäuren, Fettsäuren und Myoglobin. Ein Anstieg der Fettsäuren zeigt eine Unterversorgung des Herzmuskels mit Nährstoffen an, während das Myoglobin Auskunft über die Sauerstoffversorgung gibt. Das Augenmerk der Würzburger Physiker aber gilt zunächst dem Gesamtkreatin, das im Energiestoffwechsel der Muskelzelle eine wichtige Rolle spielt. Dieses Projekt der Wissenschaftler um PD Dr. Markus von Kienlin wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Für ihre Experimente verwenden die Würzburger Forscher das Modell des isolierten Rattenherzens. Dieses wird mit einer Nährlösung versorgt und schlägt normal wie im Körper weiter. Innerhalb von circa 90 Minuten nach seiner Entnahme können physiologische Informationen gewonnen werden, mit denen sich die Stoffwechselvorgänge im Herzmuskel aufklären lassen. In Zukunft stehen unter anderem Untersuchungen am krankhaft veränderten Herzen, zum Beispiel nach einem Infarkt, sowie die Kombination der Wasserstoff- mit der Phosphor-NMR-Spektroskopie in einem Experiment auf dem Programm.

Das Projekt am Lehrstuhl für Experimentelle Physik V von Prof. Dr. Axel Haase wird in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe um PD Dr. Stefan Neubauer von der Medizinischen Klinik der Universität Würzburg durchgeführt. Es ist in den Sonderforschungsbereich 355, "Pathophysiologie der Herzinsuffizienz", eingebettet und zielt letztendlich darauf ab, die beschriebenen Methoden für den klinischen Einsatz am Menschen reif zu machen.

Weitere Informationen: PD Dr. Markus von Kienlin, T (0931) 888-5109, Fax (0931) 888-5851, E-Mail:

kienlin@physik.uni-wuerzburg.de
js@physik.uni-wuerzburg.de
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