DTU’s grundforskningscenter HYPERMAG forsker i teknologier, der kan afsløre vigtige detaljer om sygdomme på MR-skanningsbilleder. En af teknologierne skal nu afprøves på kræftpatienter
MR-skanninger har i årtier leveret fantastisk flotte billeder af kroppens anatomi. Nu er det muligt at bruge MR-billederne til helt ned på celleniveau at iagttage cellernes stofskifte. Dette er nyttigt på bl.a. kræftområdet.
Ved hjælp af en ny teknologi kan lægerne måske allerede samme dag, en kemo- eller strålebehandling har fundet sted, afgøre, om behandlingen virker på kræftcellerne. Det er uhørt hurtigt, da kræftpatienter ellers må vente i månedsvis på at få vished om, hvorvidt behandlingen er virksom.
Denne nye teknologi kaldes Hyperpolarized Metabolic MR og er opfundet af professor Jan Henrik Ardenkjær- Larsen for 15 år siden, da han var ansat i medicinalvirksomheden Nycomed. I dag er professoren leder af grundforskningscenteret HYPERMAG, Center for Hyperpolarization in Magnetic Resonance, som er placeret ved DTU Elektro.
”På HYPERMAG arbejder vi både på at forbedre selve metoden for hyperpolarisering, men også på at forbedre dele af MR-teknologien, bl.a. antennerne, som modtager signalet, samt indsamling og behandling af data, så vi kan frembringe så gode billeder som overhovedet muligt,” siger professor Jan Henrik Ardenkjær- Larsen, der oprindeligt er uddannet elektroingeniør.
MR-signal forstærkes 20.000 gange
Metoden går ud på, at man magnetiserer et sporstof, f.eks. sukkerstoffet pyruvat, ved hjælp af hyperpolarisering (se mere i illustrationen nedenfor). Når det magnetiske sporstof injiceres i patienten, vil det optages i kroppens celler. Det hyperpolariserede sporstof forøger MR-signalet med en faktor 20.000 eller mere og gør det muligt at følge cellernes stofskifte. Især kræftceller afslører sig på billederne.
”Kræftceller har en høj metabolisme (stofskifte, red.) og vil derfor omsætte sukkerstoffer hurtigere end andre celler. Når cellerne nedbryder pyruvat, dannes der flere forskellige metabolitter – nedbrydningsprodukter – heriblandt laktat. Vi kan gå ind og måle på laktatsignalet, og fordi det er magnetisk, vil det medføre, at områder på MR-billedet lyser kraftigt op. Jo mere aktive cellerne er, jo mere pyruvat vil de omsætte til laktat. Jo mere laktat, der opstår, jo mere cellerne de lyse op på MR-skanningen. På den måde vil lægerne kunne se, hvor aktive kræftcellerne i en tumor er før og efter en behandling,” siger Jan Henrik Ardenkjær-Larsen. Han pointerer, at metoden er ufarlig og mere skånsom end andre indgreb til diagnosticering, f.eks. vævsbiopsier eller injektion af radioaktive sporstoffer.
Milepæl for medicinsk billeddannelse
I slutningen af 2017 fik Skejby Sygehus tilladelse til at anvende hyperpolariseret MR på patienter med kræft i bugspytkirtlen. Hidtil har man kun afprøvet metoden på dyr på såvel Skejby Sygehus som Rigshospitalet. Begge sygehuse arbejder tæt sammen med Jan Henrik Ardenkjær-Larsens forskergruppe.
”Vores teknologi er lykkeligvis kommet så langt nu, at den er i hænderne på lægerne, som kan begynde at lave kliniske studier på mennesker. Det er en milepæl for metoden, for medicinsk billeddannelse er ekstremt vigtig til at diagnosticere, karakterisere og følge op på sygdomme,” siger Jan Henrik Ardenkjær-Larsen.
På grundforskningscenteret HYPERMAG undersøger forskere nu, hvordan Hyperpolarized Metabolic MR kan bruges til at følge andre sygdomme, der også kommer til udtryk ved stofskifteforandringer i celler, bl.a. diabetes og hjerte-kar-sygdomme.
Sådan virker hyperpolariseret sporstof
Hyperpolarisering kan magnetisere f.eks. det harmløse sukkerstof pyruvat, så det kan bruges som sporstof ved MR-skanninger. Når det bliver injiceret i en patient før en MR-skanning, bliver MR-signalet forbedret op til 20.000 gange. Metoden kaldes for Hyperpolarized Metabolic MR og bliver i 2018 afprøvet for første gang på kræftpatienter ved Skejby Sygehus.
- Før hyperpolariseringen er sukkerstoffet beriget med kulstof-13, hvis atomkerne er magnetisk. Derefter tilsættes et kemisk hjælpestof, som har frie elektroner (rød pil).
- Selve hyperpolariseringen foregår i en maskine (polarisator). Ved at nedkøle sukkerstoffet til 1 kelvin (minus 272 grader celsius) i et magnetfelt hjælper elektronerne med at overføre magnetismen til sukkerstoffet. Dette kaldes for dynamisk kernepolarisering.
- Sporstoffet opvarmes lynhurtigt til stuetemperatur og bliver sprøjtet ind i patientens arm. Nedenfor ses, hvor lang tid der går, før sporstoffet når kroppens forskellige organer.
- Kroppens celler omsætter sporstoffet. Det medfører nedbrydningsprodukter (metabolitter), som også er magnetiske, og derfor kan mængderne måles ved MR-skanningen. Da kræftceller har en højere metabolisme end normale celler, vil en høj mængde af metabolitter afsløre aktive kræftceller, og de fremstår som stærkt lysende områder på MR-billedet. Falder mængden af metabolitter, betyder det omvendt, at kræfttumorens aktivitet er faldende.
Illustration: Lasse Gorm Jensen
Forskning, der skal forbedre MR-skanniger
Forskerne på grundforskningscenteret HYPERMAG arbejder på at brede Hyperpolarized Metabolic MR ud til flere anvendelser. Selve metoden forfines og testes til nye formål, og polarisatoren, hvor hyperpolariseringen sker, udvikles. Centerets forskning handler også om at forbedre teknologien til MR-skanninger og de efterfølgende analyser af MR-signalerne. Målet er at opnå mere detaljerede MRbilleder og en hurtigere billeddannelse.
Data skal indsamles hurtigere
Tid er en kritisk faktor, når man bruger magnetiseret sporstof i MR-skanningen, da magnetismen kun holder i et par minutter.
Det stiller høje krav til hurtig indsamling af MR-signalerne. Ph.d.- studerende Rie Beck Hansen forsker i dataacceleration, dvs. hurtigere indsamling af MR-signalerne gennem såkaldte parallel imaging-metoder.
Metoderne udnytter hardware, hvor MR-signaler optages samtidig (parallelt) fra flere spoler ved patienten. Mange spoler giver flere vinkler ind i patienten, og herved skabes et overlap af de data, man optager.
Overlappet kan udnyttes til at indsamle færre MR-signaler pr. spole, og dette accelererer dataopsamlingen. Algoritmer sikrer, at der alligevel konstrueres et nøjagtigt MR-billede. Ries forskning omfatter også udvikling og programmering af den software i MR-skanneren, der sikrer de gode MR-billeder. Da de nuværende metoder til opsamling af MR-signaler ikke er hurtige nok, kan Ries forskning være med til at skabe et reelt grundlag for hyperpolariseret MR i klinisk anvendelse.
Ny generation af polarisatorer
For at magnetisere kontraststoffet skal man bruge et kraftigt magnetfelt, nedkøle til minus 272 grader celcius med flydende helium og bestråle med mikrobølger.
Hyperpolarisering kræver en polarisator, som er bekostelig at anskaffe og dyr i drift. For at udbrede billeddannelse ved hjælp af hyperpolarisering skulle der i den ideelle verden stå en polarisator på ethvert sygehus, der har en MR-skanner.
På HYPERMAG arbejder forskerne derfor på at udvikle en ny polarisator, som kræver mindre at anskaffe og drive. Forskerne har nu en prototype, der magnetiserer bedre og hurtigere og ikke bruger noget helium. Den kan nå minus 272 grader celcius uden brug af flydende helium; blot ved hjælp af en kølemaskine. Den opererer ved det højeste magnetfelt endnu set, op til ti tesla, og kan integreres direkte med en MR-skanner.
Mere MR-signal skal opfanges
Det er elektronik, der opfanger MR-signalerne fra patienten under en MR-skanning.
Signalerne bliver opfanget af små kredsløb af kobberledninger, der også kaldes for spoler. De bliver placeret tæt på patienten under skanningen. Jo flere spoler, jo mere signal kan man opfange. Det kan medvirke til enten bedre billeder, eller at patienten bruger kortere tid i skanneren. Udfordringen er dog, at spolerne samtidig bidrager med støj og fejlsignaler, som kan forplumre et MR-billede.
Så hvordan kan man opfange mest muligt af MR-signalet med den mindst mulige støj og færrest mulige fejlsignaler? Det forsker ph.d.-studerende Daniel Højrup Johansen i. Han har udviklet en preamplifier (for-forstærker), der modbeviser den hidtidige opfattelse, at det var umuligt at fjerne alle fejlsignaler (gensidig kobling) fra spolerne.
”Vi har bevist både teoretisk og praktisk, at det er muligt at konstruere for-forstærkere, som minimerer støj og fjerner fejlsignaler fra spolerne,” siger Daniel Højrup Johansen.
De nye for-forstærkere er blevet implementeret på en hjelm, der ligner den, patienter er iført under hovedskanninger. Samtidig har Daniel øget antallet af spoler på hjelmen, så han arbejder med 32 spoler i stedet for de otte eller 16 spoler, som forskerne ellers anvender. Næste skridt i projektet er at teste hjelmen gennem fantomskanninger på Skejby Sygehus.
”Det er ikke engang sikkert, at 32 spoler hjælper os med at få et bedre MR-billede. Men det er vores job som forskere at udfordre grænserne,” siger Daniel Højrup Johansen.
'Tænd-sluk-knap' til magnetismen
Hvis magnetismens levetid i kontraststoffet forlænges, bliver man uafhængig af afstanden til polarisatoren.
Magnetismens korte holdbarhed betyder, at det apparat (polarisatoren), der forestår magnetiseringen af kontraststoffet, skal stå lige ved MR-skanneren. Så kan kontraststoffet injiceres i patienten, umiddelbart efter at det er magnetiseret.
På HYPERMAG arbejder forskerne på at udvikle en metode, der kan forlænge magnetismens levetid i kontraststoffet. Det sker på baggrund af ny viden om, at magnetisme fra elektroner kan aktiveres med uv-lys og stoppes igen med varme. Når man på den måde kan ’tænde og slukke’ for elektronernes magnetisme, bliver det muligt at hyperpolarisere kontraststoffet længe før anvendelse, ligesom det kan transporteres, så det ikke længere er nødvendigt, at hyperpolariseringen sker lige ved siden af MR-skanneren.