[Noninvasive functional lung imaging with hyperpolarized xenon : Breakthrough for diagnostics?]

BACKGROUND: Magnetic resonance imaging (MRI) is a noninvasive technique that provides excellent contrast for soft tissue organs. However, due to the low density of protons and many air-tissue junctions, its application in the lung is limited. Thus, X‑ray-based methods are often used here (with the well-known disadvantages of ionizing radiation).
OBJECTIVES: In this review, we discuss pulmonary MRI with hyperpolarized xenon-129 (Xe-MRI). Xe-MRI provides unique valuable insights into lung microstructure and function, including gas exchange with red blood cells-parameters not accessible by any standard clinical methods.
METHODS: By magnetic labelling, i.e. hyperpolarization, the signal from xenon-129 is amplified by up to 100,000 times. In this process, electrons from rubidium are first polarized to 100% using laser light and then transferred to xenon by collisions. Then the hyperpolarized gas is brought to the patient in a bag and inhaled shortly before the MRI scan.
RESULTS: Using special programming (sequences) of the MRI, the ventilation, microstructure, or gas exchange of the lungs, can be displayed in 3D. This allows, for example, quantitative visualization of ventilation defects, alveolar size, tissue gas uptake and gas transfer to the blood.
CONCLUSIONS: Xe-MRI provides unique information about the state of the lung-noninvasively, in vivo and in less than a minute.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) mit hyperpolarisiertem Xenon-129 ermöglicht es, ohne ionisierende Strahlung oder andere bedeutsame Nebenwirkungen, verschiedene Funktionen der Lunge in drei Dimensionen darzustellen. Nicht nur Ventilation und Mikrostruktur können vermessen werden, sondern auch der anschließende Transfer des Gases in das Lungengewebe und in das Blut – nichtinvasiv und in vivo. Diese Methode, ihre Funktionsweise und klinischen Anwendungsfelder sind der Gegenstand dieser Übersichtsarbeit.

„Every breath you take, …“ – als zentrales Barriereorgan ist die Lunge ständig wechselnden Umwelteinflüssen, mitunter auch Pathogenen und Toxinen ausgesetzt. Erkrankungen der Lunge haben häufig schwerste Auswirkungen auf die Lebensqualität der Betroffenen. Hierzu gehören zweifelslos Volkskrankheiten wie Asthma, aber auch Mukoviszidose (CF), chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Lungenfibrose oder, im Zusammenhang mit dem Blutkreislauf der Lunge, z. B. pulmonale Hypertonie. Die Bedeutung der Lunge bei Viruserkrankungen wird uns in Zeiten der COVID-19-Pandemie täglich vor Augen geführt.

Erfreulicherweise stehen heute verschiedene Instrumente für die Lungendiagnostik zur Verfügung. Techniken wie Spirometrie, Heliumverdünnung oder Plethysmographie erlauben die Messung z. B. des Tidalvolumens oder der Lungenkapazität. Allerdings ergeben sich für die Verfahren Limitationen. So können sie nicht bei allen Patienten (z. B. Kleinkindern) durchgeführt werden, und eine anatomische Beurteilung ist nicht mit allen Verfahren möglich.

In der klinischen Praxis wird die Lungenbildgebung von Methoden dominiert, die auf ionisierender Strahlung beruhen: Röntgenuntersuchung, Computertomographie (CT), Einzelphotonen-Computertomographie (SPECT) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET) gehören zum „standard of care“. Diese Verfahren liefern einzigartige Informationen über den Zustand der Lunge: So können z. B. unbelüftete Bereiche mit der Ventilations- und Perfusion-SPECT oder der Dual-Energy-CT mit radioaktiven Substanzen (z. B. Technetium-99 m, Xenon-133) dargestellt werden. Alle diese Methoden setzten den Patienten aber ionisierender Strahlung aus, was besonders für häufige Messungen sowie bei der Anwendung bei Kindern und Schwangeren eine Einschränkung darstellt.

Als strahlungsfreie Methode gewinnt die MRT der Lungen zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt aufgrund der beeindruckenden Entwicklungen der letzten Jahre [1, 2]. Hierbei ist die Lungen-MRT mit hyperpolarisierten Kontrastmitteln ein besonders interessanter Ansatz. Nach den ersten Schritten in den 1990er Jahren [3, 4] hat sich die Methode rasant weiterentwickelt. Heute ermöglicht die Lungen-MRT mit hyperpolarisiertem Xenon nichtinvasiv und in vivo einzigartige Einblicke in die Struktur und Funktion der Lunge in drei Dimensionen. Die Funktionsweise dieser Methode und ihre klinischen Anwendungen sind Gegenstand dieser Übersichtsarbeit.

Konventionelle Lungen-MRT

Im Vergleich zu anderen Organen wird die MRT durch verschiede Faktoren erschwert. Zum einen ist die Dichte der signalgebenden Wasserstoffkerne (Protonen) im Lungengewebe sehr gering (ca. 0,1 g/cm3 anstelle von 1 g/cm3 im Weichgewebe). Zudem verzerren die zahlreichen Grenzflächen zwischen Luft und Gewebe das Magnetfeld, so dass das MRT-Signal sehr schnell zerfällt (kurze transversale Relaxationszeit, T2 ~41 ms bei 1,5 T [5] und T2* ~0,83 ms bei 3 T [6] gegenüber T2* ~66 ms in der grauen Hirnsubstanz). Nicht zuletzt kann die Atmung Bewegungsartefakte hervorrufen, welche durch schnelle Bildgebung und Atemanhaltetechniken [7] oder anspruchsvolle Nachbearbeitung verringert werden können [8]. Vorteilhaft ist hingegen, dass die Magnetisierung sich schneller erholt als in anderen Geweben (kurze T1-Relaxationszeit ~1,37 ms [9] gegenüber ~1500 ms im Weichgewebe). Somit können mehr Mittelungen und damit mehr Signal in gleicher Zeit aufgenommen werden. Die Stärke der MRT, durch verschiedene Programmierungen (Sequenzen) unterschiedliche Kontraste zu erreichen, ist auch für die Lungen-MRT zutreffend, wird jedoch durch die kurzen Relaxationszeiten etwas eingeschränkt. So kann mit phasenaufgelöster funktioneller Lungenbildgebung (PREFUL; [1]) und Transient-Spoiled-Gradient-Echo(tSGRE)-Sequenzen mit sehr kurzen Echo- und Repetitionszeiten (TE/TR = 0,43 ms/0,99 ms) die Ventilation und Blutankunftszeit gemessen werden (Abb. 1 vom [8]).

Balanced-Steady-State-Free-Precession(bSSFP)-Sequenzen wurden dahingehend optimiert, dass der ganze Brustkorb in nur etwa 20 s mit einer hohen isotropen Auflösung von (1,9 mm)3 abgebildet werden kann – nützlich z. B. für das Screening ([7]; TE = 0,52 ms, TR = 1,46 ms). Spin-Echo-Methoden (Half-Fourier-Single-Shot-Turbo-Spin-Echo-Sequenz, HASTE) und volumeninterpolierte Atemstillstandsuntersuchungen (Volumetric Interpolated Breath-Hold Examination, VIBE) wurden bei Mukoviszidose eingesetzt und erwiesen sich als qualitativ vergleichbar mit CT-Untersuchungen [10]. Ultrashort(UTE)- und Zero-Echo-Time(ZTE)-Verfahren sind darauf ausgelegt, das schnell abklingende Lungen-MRT-Signal aufzuzeichnen, und haben sich als sehr vielversprechend u. a. für die Erkennung von Milchglastrübungen erwiesen: z. B. UTE-MRT an den Patienten mit Ewing-Sarkom und Aspergillose [11]. Neben hyperpolarisierten Gasen, die im folgenden Abschnitt behandelt werden, wurden auch Sauerstoff [12] und fluorierte Gase [13] eingesetzt. Jedoch haben sich letztere Methoden aufgrund des geringen MRT-Signals und der begrenzten Anzahl von messbaren Parametern nicht zu einem klinischen Standard durchgesetzt.

MRT der Lunge mit hyperpolarisierten Gasen

Durch die Hyperpolarisierung kann das MRT-Signal ausgewählter Moleküle um das 10.000- bis 100.000-Fache gesteigert werden. Diese Signalverstärkung eröffnet gänzlich neue Möglichkeiten für die Diagnostik, wie z. B. die Bildgebung von Stoffwechsel (s. Peters et al. in dieser Ausgabe). Für die Bildgebung der Lunge sind hyperpolarisierte Gase besonders interessant, da nunmehr die Gase und ihre Wechselwirkung mit dem Gewebe direkt dargestellt werden können (im Gegensatz zur Luft, welche kein nennenswertes MRT-Signal liefert).

Physikalische Grundlagen

Das MRT-Signal ist in etwa proportional zur Anzahl der Kernspins, die sich im Magnetfeld des MRT-Systems ausrichten. Je stärker das Magnetfeld, desto mehr Spins richten sich aus und desto mehr Signal wird gemessen. Doch selbst in den starken Feldern moderner MRT-Systeme mit supraleitenden Magneten sind dies nicht mehr als wenige Millionstel (angegeben in „parts per million“ [ppm]): Die relative Ausrichtung, genannt Polarisation P, beträgt etwa 3 ppm/T für 1H und etwa 1 ppm/T für 129Xe. Könnte man nun die Polarisierung z. B. um das 100.000-Fache erhöhen (P ≈ 100 %), stiege das MRT-Signal ebenso an.

Um die Polarisierung der Kernspins zu erhöhen, stehen verschiedene quantenmechanische Tricks zur Verfügung [14]. So dient polarisiertes Laserlicht dazu, die Kernspins von Edelgasen, über einen Zwischenschritt auf Rubidiumatomen, auf nahezu 100 % zu polarisieren. Dieser Prozess wird als optisches Spin-Austausch-Pumpen (SEOP) bezeichnet und liegt den gezeigten klinischen Beispielen zugrunde [15]. In diesem Prozess wird durch die Absorption von polarisiertem Laserlicht der Elektronenspin von Rubidiumgas polarisiert und durch Stöße auf den Kernspin von Xenon übertragen. Durch eine Kältefalle und Filter wird das nun polarisierte Xenon aus dem Gasgemisch abgetrennt und steht zur Anwendung bereit.

Für die Lungenbildgebung bieten sich hyperpolarisierte Edelgase, insbesondere die Isotope Helium‑3 (3He) und Xenon-129 (129Xe), an (Tab. 1). Diese besitzen einen Kernspin, können gut polarisiert werden und weisen keine bedeutsamen Nebenwirkungen auf. Während anfangs häufig 3He eingesetzt wurde, überwog in den letzten Jahren die 129Xe-MRT. Dies ist wohl auf die geringeren Kosten und die gute Löslichkeit von Xenon zurückzuführen, welche es erlaubt, Xenon in verschiedenen Umgebungen zu unterscheiden (z. B. gasförmig in Alveolen, gelöst in Lungengewebe oder roten Blutkörperchen).

Parameter	3He	129Xe
Atommasse	3	128,9
Gyromagnetisches Verhältnis	32,4 MHz/T	11,8 MHz/T
T1-Relaxationszeit im Magnetfeld	42 h (bei 0,08 mT) [16]	5,9 h (bei 3 T) [17]
T1-Relaxationszeit im Inneren der Lunge	25 s [18]	20 s [15]
Diffusionskoeffizient (verdünnt in Luft)	0,86 cm2/s	0,14 cm2/s
Diffusionskoeffizient (gesunder Proband)	0,18 ± 0,07 cm2/s [19]	0.030 ± 0,009 cm2/s [19]

Xenon-Polarisationsgeräte

War die Methode ursprünglich physikalischen Laboren vorbehalten, werden mittlerweile verschiedene Xenon-Polarisatoren kommerziell angeboten: Xemed [20], Polarean [21], XeUS GEN‑2 [22] und POLARIS Xenon Polarizer ([23]; Abb. 2). Die Geräte liefern etwa 1–6 l 129Xe-Gas pro Stunde, das zu 30–73 % polarisiert ist (wobei höhere Gasflüsse im Polarisator in der Regel zu einer geringeren Polarisation führen). Die Anschaffungskosten betragen typischerweise zwischen 100.000 und 1.000.000 €, die Wartungskosten sind gering. Gas für eine Messung kostet ca. 100 € und kann teilweise recycelt werden.

Anwendung am Menschen

Nach der SEOP-Polarisierung wird das Gas gefiltert und ca. 500 ml in einem Beutel aus Polyvinylfluorid (Tedlar) gesammelt. Der Patient im Magnetresonanztomographen nimmt den Beutel entgegen, atmet den Inhalt ein und hält für wenige Sekunden die Luft an, während die MRT-Bilder aufgenommen werden (1–20 s). Der vollständige Ablauf der Patientenverabreichung im Xenon-MRT kann vom Video: „Xenon MRI Research Programme – Ground Breaking Lung Imaging“ [25], erkannt werden.

Die Inhalation einer Dosis Xenon ist in der Regel gut verträglich [26]; lediglich von leichter Euphorie wird berichtet, welche nach wenigen Minuten abklingt. Reines Xenon wird mitunter vermischt mit Stickstoff (N2) oder Helium (4He), um die Inhalation, insbesondere für Patienten mit eingeschränkter Lungenfunktion, zu erleichtern und um die Xenonmenge, die für einen gegebenen Lungenfüllstand benötigt wird, zu reduzieren.

Lungen-MRT mit hyperpolarisiertem Xenon

Mit hyperpolarisierten Gasen kann eine Vielzahl verschiedener Eigenschaften der Lunge gemessen werden. Häufig stehen Ventilation (die räumliche Verteilung des Gases), die Mikrostruktur (Diffusion in Alveolen), ebenso wie die Gasaufnahme in Gewebe und Erythrozyten (Gasaustausch) im Fokus. Im Gegensatz zur konventionellen MRT erholt sich die Magnetisierung von hyperpolarisierten Kontrastmitteln jedoch nicht – stattdessen nimmt sie, einmal hyperpolarisiert, unaufhaltsam ab. Dabei ist die Halbwertszeit abhängig von der Umgebung: in vitro bis zu Stunden, in vivo z. B. 20 s bei 3 T (Tab. 1). Dies ist ein fundamentaler Unterschied zur konventionellen MRT und erfordert besondere Sequenzen.

Ventilationsbildgebung

Die Bildgebung der Gasverteilung alleine erlaubt es bereits, die Ventilation der Lunge darzustellen. Mithilfe der linearen Binning-Kartierung können Ventilationsdefekte (VDP) einfach dargestellt werden ([27]; Abb. 3). Xenon, dessen Flusseigenschaften Sauerstoff ähneln, weist ein höheren VDP-Wert („ventilation defect percent“) auf als Helium [29], da sich die Massen und Viskositäten unterscheiden (Tab. 1).

Ventilationskarten können z. B. mit Gradientenecho-MRT-Sequenzen mit radialer oder spiraler Auslese aufgenommen werden. Ein geringer Flipwinkel erlaubt es hierbei, die Hyperpolarisierung auf vielen Anregungen zu verteilen [30]. Mit einer zentrierten 3‑D-Spiral-UTE-basierten Sequenz (d. h. FLORET – Fermat Looped Orthogonally Encoded Trajectories) wurde, bei gegebener Auflösung und einer kürzeren Atemfrequenz, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) um 40 % als für 2‑D Gradient-recalled-Echo gesteigert [31]. Mit komprimierter Abtastung konnten anatomisches 1H und 3‑D-Xe-Ventilationsbild innerhalb von 15 s aufgenommen werden [32].

Eine hyperpolarisierte Ventilations-MRT wurde bei verschiedenen Krankheiten angewendet. Bereits eine moderate Polarisierung von 6–10 % reichte aus, um die geschädigten Bereiche der Lunge bei leichter oder mittelschwerer chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) zu erkennen (Abb. 4; [33]). Auch wurde die 129Xe-MRT eingesetzt (und nachweislich gut vertragen), um die Auswirkungen einer bronchialen Thermoplastiebehandlung bei Asthmapatienten zu untersuchen [34]. Weitere klinische Anwendungen zeigten sich in Studien an jungen Patienten (ab 6 Jahren), um die Schweregrade von Erkrankungen und die Effekte der Therapien zu quantifizieren [35]. In Kombination mit 1H‑UTE wurde die Größe der regionalen Ventilationsdefekte bei Mukoviszidose untersucht [36].

Bildgebung der Mikrostruktur mit Diffusion

In Anlehnung an die diffusionsgewichtete MRT (DWI) des Hirns kann auch in der Lunge Mikrostruktur abgebildet werden, die weit unter der nominellen Auflösung der MRT liegt. So können diffusionsgewichtete Bilder erzeugt werden, ebenso wie Karten des augenscheinlichen Diffusionsquotienten (ADC) oder die mittlere Alveolengröße (Abb. 5).

Erhöhte ADC-Werte können auf krankhafte Veränderungen (Deformationen) der Alveolen hinweisen [15]. Durch entsprechende Nachverarbeitung können zusätzliche Parameter der Lungenmikrostruktur abgeleitet werden, z. B. die mittlere Diffusionslänge (LmD, unter Verwendung gestreckter Exponentialmodelle; [19]); der mittlere Alveolardurchmesser (LAlv) und die mittlere Sehnenlänge (Lm, unter Verwendung des Zylindermodells). Xe und He zeigten ähnliche Ergebnisse, obwohl die leichteren und schneller diffundierende 3He-Kerne in Defektregionen mehr Informationen liefern könnten.

Durch die Messung der ADC konnten die Mikrostrukturdefekte der Lunge bei Patienten mit COPD, idiopathischer Lungenfibrose (IPF) und Ex-Rauchern bildlich dargestellt werden. Bei gesunden Probanden betrugen die ADC-Parameter ≈0,18 cm2/s für die 3He- und ≈0,030 cm2/s für die 129Xe-MRT (Abb. 5; [19]). Die Koeffizienten der Patienten waren höher: ≈0,33 (IPF) und ≈0,47 (COPD) für 3He, und ≈0,046 (IPF) und ≈0,051 (COPD) für 129Xe. Moderne Methoden mit künstlicher Intelligenz (KI) könnten die Aufnahmedauer weiter verringern, wie eine Arbeit von Duan et al. [37] gezeigt hat.

Funktionelle Bildgebung des Gasaustauschs

Eine besondere Eigenschaft von Xenon ist die hohe Löslichkeit in Flüssigkeiten und Geweben. Zudem verändert sich die Frequenz des 129Xe-Signals je nach Umgebung (0 ppm, 198 ppm bzw. 217 ppm für freies, gelöstes und an Hämoglobin gebundenes 129Xe). Mit speziellen MRT-Methoden kann das gasförmige Xenon in den Alveolen daher von dem im Lungengewebe und in den Erythrozyten unterschieden werden (Abb. 7). Diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen es, die Grundfunktion der Lunge – den Austausch zwischen gasförmigen und gelösten Molekülen – tatsächlich zu messen und abzubilden.

Neben dem Gasaustausch können die Gewebedichte, die Barrieredicke [38] und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Alveolen [39] ermittelt werden. Aus diesen Parameterkarten können relative Verhältnisse bestimmt werden, z. B. das Signal in Lösung (Gewebe und Plasma) zur Gasphase (Gewebe/Gas), Erythrozyten zur Gasphase (RBC/Gas) oder Erythrozyten zu Erythrozyten und Barriere (RBC/Gewebe; Abb. 7). Wang et al. [40] verbanden Xe-MRT (regionale Ventilation, Barriereaufnahme und RBC-Transfer) mit Lungenfunktionstests. Bei den Patientenkohorten mit COPD, IPF, unspezifischer interstitieller Pneumonie (NSIP), präkapillärer pulmonaler Hypertonie (Pre-PH) und postkapillärer pulmonaler Hypertonie (Post-PH) korrelierte die verringerte Diffusionskapazität für Kohlenmonoxid (DLCO) direkt mit den verschlechterten Xe-MRT-Parametern.

So zeigte sich z. B. in einer Arbeit, dass die Dicke des Barrieregewebes bei IPF-Patienten um 7,2 µm zunahm (+72 %; [39]). In einer anderen Arbeit war die Gasaufnahme ins Barrieregewebe bei IPF-Patienten um 188 % höher als bei gesunden Probanden [41], der Transfer ins Blut allerdings reduziert. Bei COPD-Patienten war das Verhältnis der Alveolaroberfläche zu dessen Volumen aufgrund der fortschreitenden Gewebezerstörung reduziert [39]. Interessanterweise wiesen Asthmapatienten ein hohes RBC/TP-Verhältnis auf (53 % höher als bei einem gesunden Probanden), im Gegensatz zu den Beobachtungen bei COPD-Patienten (75 % niedriger als bei einem gesunden Probanden; Abb. 7; [42]).

Um die Signale von Xenon in den Alveolen, im Gewebe oder Erythrozyten zu unterscheiden, sind spektroskopische Methoden nötig (z. B. Dixon [41], IDEAL [38]; Abb. 6c). Um den Gastransfer zu messen, kann der Anstieg des Xenon-Signals in den Erythrozyten gemessen werden, nachdem es zuvor gesättigt wurde („chemical shift selective saturation recovery“, CSSR; [39]).

Atmungsluftstrom mit Xe-MRT

Eine interessante, aber wenig explorierte Anwendung von hyperpolarisiertem Xenon ist die Flussbildgebung. Diese könnte zum einen dazu verwendet werden, den Gasfluss in technischen Anlagen zu visualisieren. Zum anderen könnten hiermit Rückschlüsse auf die Strömungsverhältnisse in den Atmungsorganen des Menschen gewonnen werden. Die Flussbildgebung ist ein gut entwickeltes Feld der MRT, so dass hier viele Methoden und Knowhow zur Verfügung stehen. Xiao et al. [43] haben zum ersten Mal hyperpolarisiertes Xenon-MRT verwendet, um den Fluss in den oberen Atemwegen zu vermessen. Hierbei wurde nur langsam geatmet, um ähnliche Strömungsbedingungen wie bei Luft zu erhalten. Die Übereinstimmung mit Simulationen war hoch (Abb. 8).

Konventionelle und hyperpolarisierte MRT bei COVID‑19

Während Röntgen- und CT-Untersuchungen bei COVID-19-Patienten Routine sind, wurde die MRT in mehreren Studien erprobt. Hierbei zeigten HASTE-basierte [44] und radiale 3‑D-UTE-MRT ähnliche Eintrübungen wie die CT (Abb. 9; [45]).

Die hyperpolarisierte Xenon-MRT wurde auch verwendet, um die Lungenmikrostruktur und den Gasaustausch insbesondere während der Erholung nach einer COVID-19-Infektion zu überwachen. Huang et al. [46] beobachteten bei entlassenen COVID-19-Patienten (einen Monat nach der Entlassung aus dem Krankenhaus) im Vergleich zu gesunden Probanden einen um 35,9 % langsameren Gas-Blut-Austausch, eine um 15,8 % größere Dicke der Septumwand und ein um 17,8 % niedrigeres RBC/TP-Verhältnis. Eine weitere Studie [47], die an den Patienten 3 Monate nach der Genesung durchgeführt wurde, zeigte, dass das RBC/TP-Verhältnis bei den ehemaligen Patienten noch immer beeinträchtigt war (≈0,3 ± 0,1; Abb. 10) im Vergleich zu den gesunden Probanden (≈0,5 ± 0,1). Es ist wichtig zu erwähnen, dass alle Teilnehmer normale oder nahezu normale CT-Scans aufwiesen. Diese Befunde könnten zur Abklärung der Kurzatmigkeit mancher genesenen COVID-19-Patienten beitragen.

Was ist für die hyperpolarisierte Xenon-MRT erforderlich?

Zwar ist hyperpolarisiertes Xenon-Gas (noch) nicht als Medizinprodukt für die klinische Routine zugelassen, mehrere Forschungszentren haben jedoch die Technologie so weit integriert, dass sie routinemäßig eingesetzt werden kann. So wurde z. B. die klinische Lungen-MRT mit hyperpolarisiertem 129Xe an der Universität Sheffield von der britischen Regulierungsbehörde für Arzneimittel und Gesundheitsprodukte (MHRA) zugelassen (mit tragbarem Polarisator [23] und den dazugehörigen Herstellungsprozessen). Die einfachste Möglichkeit, eine Xenon-MRT zu erhalten, scheint derzeit die Zuweisung in ein solches Zentrum zu sein.

Um eine hyperpolarisierte 129Xe-MRT der Lunge durchführen zu können, sind insbesondere folgende Komponenten erforderlich: ein Xenon-Polarisator, Xenon-Spulen, ein MRT-Upgrade, die entsprechenden Sequenzen sowie eine ethische und behördliche Genehmigung. Alle Komponenten sind kommerziell verfügbar und werden kontinuierlich verbessert (wenn auch nicht alle als Medizinprodukt). Die klinische Anwendung wird durch verschiedene internationale Vereinigungen, wie z. B. des 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC), vorangebracht.

In Deutschland waren in der Vergangenheit mehrere Xe- oder He-Polarisatoren im Einsatz, darunter am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ, Heidelberg), dem Institut für Physik der Universität Mainz, dem Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Medizinischen Hochschule Hannover und dem Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP, Berlin). Ein Polarisator der letzten Generation ist seit 2021 am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH, Kiel) installiert.

Fazit für die Praxis

Die moderne Magnetresonanztomographie (MRT) mit hyperpolarisiertem Xenon erlaubt eine funktionelle Bildgebung der Lunge auf bislang unerreichtem Niveau.

Hierfür waren, seit den ersten Schritten in den 1990er Jahren, bedeutsame Fortschritte in Bereichen wie Hyperpolarisationsphysik, Polarisatortechnologie, Spulentechnologie, MRT-Sequenzen und -Nachbearbeitung nötig.

Heute können in wenigen Minuten funktionelle Bilder der Lungenbelüftung, der Mikrostruktur, des Austauschs mit Gewebe und Blut aufgenommen werden.

Dies ist heute zu vertretbaren Kosten, ohne ionisierende Strahlung oder sonstige Nebenwirkungen möglich.

Nichtsdestotrotz ist es kein Leichtes, die hyperpolarisierte Xenon-MRT heute in die klinische Routine zu implementieren; insbesondere regulatorische Aspekte verhindern derzeit eine einfache Anwendung am Patienten.

An einzelnen Zentren wird die Methode jedoch bereits fast in der alltäglichen Praxis eingesetzt.

Zusätzlich verfolgen mehrere Studien die Zulassung als klinisches Diagnoseverfahren.