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_PORTRÄT . Meilensteine - Forschen für die Welt von morgen

_TEXT . Christine Bohnet


Rossendorfer Radioaktivitätsexperten in Leipzig


FZD Journal 05 / März 2010

Was hat die Alzheimer-Krankheit mit der Endlagerforschung zu tun? Für beide Themen nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der neuen Forschungsstelle Leipzig des FZD im Prinzip die gleiche Methode. Sie setzen speziell entwickelte, radioaktiv markierte Sonden ein, die Prozesse im menschlichen Gewebe oder in Gesteinen sichtbar machen.

 

Radioaktivität ist ein Phänomen, das sich viele Forscher zunutze machen. Das liegt daran, dass sich Strahlung berührungslos von außen messen lässt und so genaue Rückschlüsse auf innere bzw. unsichtbare Vorgänge erlaubt. Im Fall der seit dem ersten Januar 2010 zum FZD gehörigen Wissenschaftler aus Leipzig hilft die Strahlung entweder dabei, Funktionen des Gehirns oder aber den Weg von Wässern durch unterschiedlichste Gesteinsformationen zu messen. Letzteres ist eine grundlegend wichtige Frage, wenn es um die Wahl eines geeigneten Endlagers für radioaktiven Abfall geht.

 

Wasser im Umfeld von Endlagern

Lippmann-Pipke und Peter Brust

Abb.1: Johanna Lippmann-Pipke leitet die Leipziger Abteilung "Reaktiver Transport" am Institut für Radiochemie des FZD, Peter Brust die Abteilung "Neuroradiopharmaka", die zum FZD-Institut für Radiopharmazie gehört.

Johanna Lippmann-Pipke leitet seit drei Jahren die Abteilung "Reaktiver Transport", die seit kurzem zum Institut für Radiochemie des FZD gehört. Ihr Spezialgebiet ist die Umweltphysik mit dem besonderen Schwerpunkt Grundwasser. Zunächst war sie als Hydrologin bei der Internationalen Atomenergiebehörde in Wien, dann als Wissenschaftlerin an der Columbia Universität in New York und schließlich am Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ. Dort hat sie u.a. Grundwässer in den tiefsten Minen der Welt untersucht. Ihre Aufgabe: diese in der Tiefe von jeglichem modernen Leben isolierten Wässer als mehrere Millionen Jahre alte und sehr ursprüngliche Tiefenwässer zu identifizieren. Heute beschäftigt sie sich mit Wässern im Umfeld von Endlagerstätten. Dort ist Wasser unerwünscht, denn ein Wassereinbruch könnte die teils sehr langlebigen und giftigen Radionuklide aus dem Endlager heraus- und ins Grundwasser hineintragen. Radionuklide würden so in den Nahrungspfad gelangen und Mensch und Tier gefährden.

Die Physikerin legt Wert auf ein umfassendes Verständnis des Systems Wasser und aller damit einhergehenden Prozesse: "Könnte man eine Schneeflocke so markieren, dass sich ihr Weg genau verfolgen ließe, so wüssten wir bestimmt mehr über komplizierte Systeme wie beispielsweise das Wetter. Die Schneeflocke fällt auf die Erde, wird flüssig, gelangt mit dem Tauwasser irgendwann ins Grundwasser, von dort über Bäche und Flüsse in einen Ozean, verdunstet und wird wieder zu einer Schneeflocke oder zu einem Regentropfen." Die Aufgabe der Abteilung sieht Lippmann-Pipke darin, durch Experimente mit radioaktiv markierten Flüssigkeiten - oder markierten Partikeln in Flüssigkeiten - mehr über die Wechselwirkungen und den Transport in unterschiedlichen Gesteinen zu lernen. Dieses Wissen soll in Modellrechnungen einfließen, die für die Langzeit-Sicherheit von Endlagern so wichtig sind (siehe auch den Artikel zur Endlagerforschung auf S. 5).

Beim Wetter kann man sich heute meist auf die Prognosen für die kommenden zwei oder drei Tage verlassen, danach scheitern die Vorhersagen oft. Das liegt an den vielen Parametern, die für die Entwicklung des Wetters eine Rolle spielen und die das Wetter damit zu einer hochkomplexen Materie machen. Auch für Endlager werden Prognosen benötigt, allerdings sollten die Prognosen zuverlässig für eine Million Jahre gelten.


Den Weg von Wasser und Radionukliden verfolgen

PET-Kamera ClearPET

Abb.3: PET-Kamera ClearPET der Forschungsstelle Leipzig während der Untersuchung von Transportvorgängen in einem Salzgesteinsbohrkern

Verteilung eines PET-Radionuklids

Abb.2: 3D-Visualisierung der Verteilung eines PET-Radionuklids zeigt lokalisierte Transportpfade auf einer schräg verlaufenden Rissoberfläche in einem Gesteinsbohrkern

Wie nun beobachten die Wissenschaftler der Abteilung "Reaktiver Transport" z.B. den Weg des Wassers durch das Gestein? Sie nutzen dafür die gleiche Ausstattung, mit der auch die Hirnforscher an der Leipziger Forschungsstelle arbeiten: eine PET-Kamera. PET steht für Positronen-Emissions-Tomographie und ist ein modernes Bildgebungsverfahren, mit dem Transportprozesse sehr genau studiert werden können.

Radioaktive Atome sind nicht stabil, sondern wandeln sich nach einer gewissen Zeit um und setzen dabei Strahlung frei. So bezeichnet die Halbwertszeit genau die Zeit, zu der jeweils die Hälfte der radioaktiven Atome einer bestimmten Substanz umgewandelt ist. Nach etwa zehn Halbwertszeiten ist die Aktivität mehr oder weniger abgeklungen. Markiert man Wasser z. B. durch Zugabe eines gut löslichen PET-Radionuklids und verwendet dies in Durchströmungsversuchen mit einer Gesteinsformation, so verrät die orts- und zeitaufgelöste Strahlungsmessung genau, wie sich das Wasser durch das Gestein bewegt. Die PET-Kamera registriert jede radioaktive Umwandlung und mit Hilfe aufwändiger Rechenprogramme entstehen aussagekräftige, bewegte Bilder von Transportvorgängen, die im Inneren unterschiedlichst strukturierter Gesteine stattfinden.

Als Leiterin einer experimentell arbeitenden Forschungsabteilung sucht Johanna Lippmann-Pipke die Zusammenarbeit mit Theoretikern, um die Ergebnisse aus den Experimenten in Modellrechnungen einzuspeisen. Diese dienen wiederum als Grundlage für weitere Experimente oder aber als Bausteine für Prognosen von Endlager-Szenarien. Langjährig kooperiert die Abteilung mit Kollegen der Universität Mainz, neue Kooperationen mit Theoretikern in Berlin und am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ, das sich in direkter Nachbarschaft zur FZD-Forschungsstelle im Wissenschaftspark Leipzig befindet, sind geplant. Anbieten würde sich hier z.B. der Bereich "Hydrosystemmodellierung" von Sabine Attinger, die sich u. a. mit der Modellierung der Dynamik von Transportprozessen in Wassersystemen auf unterschiedlichen Skalen beschäftigt. Wasserwege durch Gestein im dreidimensionalen Raum zu beschreiben ist nicht trivial, denn Flüssigkeiten nehmen oft ungeahnte Wege, wie die Experimente mit der PET-Kamera zeigen.

Johanna Lippmann-Pipke erweitert mit ihrer Abteilung die Forschungsthemen im Institut für Radiochemie des FZD. Hier spielen vor allem elementare Wechselwirkungen von radioaktiven Schwermetallen mit der Umgebung eine Rolle, also beispielsweise, wie genau Uran an einem Mineral bindet oder wie es sich in Pflanzen- und Tierzellen anreichert. Die neue Abteilung "Reaktiver Transport" bringt sprichwörtlich Bewegung in das Institut, da sie sie sich um Transportprozesse von Radionukliden in der Umwelt kümmert.

 


Hirnforschung mit radioaktiven Substanzen

In der FZD-Forschungsstelle Leipzig arbeiten zwar keine Mediziner, aber die Diagnose von Krankheiten des Gehirns liegt den Biologen und Chemikern in der Abteilung "Neuroradiopharmaka" dennoch sehr am Herzen. Der Abteilungsleiter Peter Brust und seine Mitarbeiter nutzen für ihre Arbeit ebenfalls die PET-Methode, denn damit kann man krankhafte Veränderungen im menschlichen Gehirn sehr gut sichtbar machen. Ihr Ziel: neue Substanzen zu entwickeln, die eine frühzeitige und sichere Diagnose von Depressionen, Angstzuständen, Alzheimer etc. erlauben.

Am Anfang der Hirnforschung mit PET stand die radioaktive Markierung von Zuckermolekülen, um die Energieversorgung des Hirns zu untersuchen; im nächsten Schritt wurden vorhandene Präparate gegen bestimmte neuropsychiatrische Erkrankungen eingesetzt. So hat man u. a. herausgefunden, wo diese Medikamente im Gehirn binden und dass sie bereits in deutlich geringeren Dosen ihre Wirkung entfalten als vermutet. Heute geht es darum, neue Präparate für die medizinische Diagnostik bereitzustellen, die mit großer Sicherheit normale von krankhaften Zuständen abgrenzen. So ist es beispielsweise noch schwierig, milde kognitive Störungen, die fast jeder schon einmal erlebt hat, von einer echten Erkrankung zu unterscheiden. Gerade aber bei der Alzheimer-Krankheit und weiteren neurodegenerativen Erkrankungen verspricht eine frühe Diagnose, verbunden mit geeigneten therapeutischen Maßnahmen, eine entscheidende Verbesserung der Lebensqualität.

Die PET-Methode basiert auch in der Hirnforschung darauf, dass eine Substanz mit einem kurzlebigen Radionuklid, z.B. Kohlenstoff-11 oder Fluor-18, markiert wird. Diese Substanz wandert im Körper unter anderem ins Gehirn und trägt dabei die Radioaktivität mit sich. Wenn sich die Substanz dann im Krankheitsherd spezifisch anreichert und sich das Radionuklid umwandelt, erlaubt die dabei freigesetzte Strahlung eine sehr genaue Diagnose. Es gibt unterschiedlichste Anreicherungsmechanismen von radioaktiven Sonden für die Hirnforschung, entsprechend unterschiedlich müssen die bei der PET-Untersuchung gewonnenen Bilder vom Arzt interpretiert werden. Zeugt viel Radioaktivität in dem einen Fall davon, dass die untersuchten Zellen im Gehirn absterben - man denke hier an die Alzheimer-Krankheit -, so deutet im anderen Fall viel Radioaktivität auf ein gesundes Gehirn hin. Abhängig ist dies von den genauen Bindungseigenschaften der eingesetzten Substanz im Gehirn.

Trotz großer Fortschritte in der Forschung geben neurodegenerative oder psychotische Erkrankungen den Medizinern und Naturwissenschaftlern immer noch viele Rätsel auf. "Wir kooperieren eng mit dem Paul-Flechsig-Institut für Hirnforschung sowie mit der Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin der Universität Leipzig. Die Leipziger Nuklearmediziner sind weltweit anerkannte Experten für die Frühdiagnose der Alzheimer-Demenz mit Hilfe von radioaktiven Arzneimitteln. Sie untersuchen die von uns entwickelten und am Tiermodell getesteten Substanzen auf ihre Wirkung am Menschen mit dem Ziel, sie später im klinischen Alltag anzuwenden. Wir denken, dass eine unserer eigenen Entwicklungen das Zeug für die Klinik hat. Eine zweite Substanz von uns wird in Leipzig bereits zur Untersuchung depressiver Erkrankungen genutzt.", so Peter Brust. Die von ihm und seinem Team entwickelten Verbindungen tragen komplizierte Namen: (+)-[18F]FMe-McN5652 heißt die eine und (-)-[18F]NCFHEB die zweite Verbindung. Die eckige Klammer bedeutet, dass die beiden Substanzen mit radioaktiven Fluor-18-Atomen markiert sind. Da Fluor-18 eine Halbwertszeit von ca. 110 Minuten hat, kann der Patient schon bald nach der Untersuchung wieder nach Hause gehen. Außerdem werden - fast homöopathisch - kleine Mengen der radioaktiven Arzneimittel injiziert, so dass die Strahlenbelastung in etwa einer Röntgenuntersuchung der Lunge entspricht.

 

Hohe Hürden

Die Messlatte für radioaktive Sonden zur Diagnose von Krankheiten ist hoch. Einerseits injizieren die Mediziner winzige Mengen im Nanomol-Bereich, die wegen der geringen Menge keine Wirkung im Körper entfalten können, andererseits müssen alle Regeln und Tests, die für "normale" Arzneimittel gelten, beachtet und durchgeführt werden. Peter Brust äußert sich besorgt über die zunehmenden Hürden, die für die Zulassung und Anwendung von radioaktiven Diagnosepräparaten aufgebaut werden: "Die bürokratischen Hürden vor der Zulassung von klinischen Tests sind sehr hoch und das Verständnis für die Spezifik unserer Methode noch zu wenig ausgeprägt. Die Präparate üben wegen der geringen Substanzmenge im Körper keine physiologische oder gar toxische Wirkung aus. Unerwünschte Nebenwirkungen des Präparats im menschlichen Körper können daher in der Regel ausgeschlossen werden."

Während sich die erste der in Leipzig entwickelten Substanzen bereits im klinischen Test für die Diagnose von Depressionen und anderen psychotischen Erkrankungen befindet, ist die zweite Substanz, die zur frühen Erkennung der Alzheimer-Demenz dienen soll, gerade mitten in der Beantragungsphase für klinische Tests. Auf rund fünf Jahre Arbeit mit dieser neuen Substanz blickt der Biologe Peter Brust zurück. Weitere neue und vielversprechende radioaktive Sonden - davon einige in Kooperation mit namhaften Firmen - befinden sich in der "Pipeline". Eine Sonde verdankt sich dem eher zufälligen Gespräch mit einem Arzneimittelhersteller am Rande einer internationalen Tagung, das eine fruchtbare Zusammenarbeit einläutete. Knapp drei Jahre nach dem ersten Kontakt lieferten nun erste Tierversuche bereits vielversprechende Daten.

 

Kürzere Untersuchungszeiten

Die neue radioaktive Sonde zur Früherkennung der Alzheimer-Krankheit, das (-)-[18F]NCFHEB, tritt auf dem hart umkämpften Pharmamarkt an gegen eine, die seit einiger Zeit in der Klinik eingesetzt wird. Deren Nachteil: Die Patienten müssen eine mehr als siebenstündige Prozedur mit mehreren Messungen in der PET-Kamera über sich ergehen lassen. Das ist vor allem für ältere Menschen schwierig zu verkraften. Die neue Substanz aus der FZD-Forschungsstelle Leipzig wartet dagegen mit großen Vorteilen auf. Die Untersuchungsdauer beschränkt sich auf erträgliche eineinhalb bis zwei Stunden und die Aussagekraft der Bilder war zumindest im Tierversuch hoch. Peter Brust ist zuversichtlich, dass sich seine Substanz auch beim Patienten bewährt: "Allerdings gilt für radioaktive Sonden, sei es zur Diagnose von neurodegenerativen Erkrankungen wie auch von Krebs, dass sie sich auf Dauer auf dem Markt nur durchsetzen können, wenn die PET-Methode insgesamt günstiger wird. Die Zukunft der radiopharmazeutischen Entdeckungen am FZD in Dresden und Leipzig hängt maßgeblich davon ab, ob Nuklearmediziner in ganz Deutschland zu vertretbaren Kosten die Präparate beziehen und/oder herstellen können."

Das Diagnosepräparat für Depressionen und Angsterkrankungen mit dem Namen (+)-[18F]FMe-McN5652 wird heute schon im Dresdner PET-Zentrum des FZD unter strengsten Auflagen hergestellt und steht damit für Patienten am Leipziger Universitätsklinikum zur Verfügung. Es handelt sich um die erste radioaktive Sonde für neuropsychiatrische Erkrankungen aus Sachsen. Das zweite Präparat für die klinische Anwendung, made in Leipzig, könnte bald folgen.

 



_KONTAKT

FZD-Forschungsstelle Leipzig
Interdisziplinäre Isotopenforschung

Dr. Johanna Lippmann-Pipke
Institut für Radiochemie im FZD

Prof. Dr. Peter Brust
Institut für Radiopharmazie im FZD

www.fzd.de/leipzig