Prof. Dr. Franz Pfeiffer: Früherkennung/Therapieverlauf von Lungenerkrankungen - das Dunkelfeld-Röntgen

Medizin am Abend Berlin - MaAB-Fazit: Neue Röntgentechnologie: Dunkelfeld-Röntgen verbessert Diagnose von Lungenerkrankungen

Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben ein neues Röntgenverfahren für die Lungendiagnostik erstmalig erfolgreich bei Patienten eingesetzt. 

Dunkelfeld-Röntgen macht frühe Veränderungen in der Alveolarstruktur infolge der Lungenkrankheit COPD sichtbar, benötigt dafür jedoch nur ein Fünfzigstel der in der Computertomographie üblichen Strahlendosis. 

Dies erlaubt eine breite medizinische Anwendung in der Früherkennung und dem Therapieverlauf von Lungenerkrankungen. 

Das Dunkelfeld-Röntgenverfahren macht frühe Veränderungen in der Alveolarstruktur infolge der Lungenkrankheit COPD sichtbar. Prof. Franz Pfeiffer hofft, damit die Früherkennung von Lungenkrankheiten deutlich zu verbessern. Andreas Heddergott / TUM 

Millionenfach führen schwere Erkrankungen des Atmungssystems zu stark eingeschränkter Lebensqualität. 

Jedes Jahr sterben allein in Deutschland mehr als 100.000 Menschen an schweren Lungenerkrankungen. 

Typisch für eine lebensgefährliche chronisch obstruktive Lungenerkrankung (chronic obstructive pulmonary disease, COPD) sind teilweise zerstörte Lungenbläschen und eine Aufblähung der Lunge (Emphysem).

In normalen Röntgenaufnahmen sind die feinen Unterschiede im Gewebe jedoch kaum sichtbar.  

Detaillierte diagnostische Informationen liefern erst fortschrittliche medizinische Bildgebungstechnologien, bei denen im Computer viele Einzelbilder zusammengesetzt werden. 

Eine schnelle und kostengünstige Option mit geringer Strahlenbelastung für Früherkennung und Nachuntersuchungen fehlt bisher.

Diese Lücke könnte ein an der TU München entwickeltes Verfahren schließen: 

das Dunkelfeld-Röntgen. In der aktuelle Ausgabe von „Lancet Digital Health“ präsentiert ein Forschungsteam, angeführt von Franz Pfeiffer, Professor für biomedizinische Physik und Direktor des Munich Institute of Biomedical Engineering der TUM, nun Ergebnisse einer ersten klinischen Studie mit Patienten, bei der die neue Röntgen-Technologie zur Diagnose der Lungenkrankheit COPD eingesetzt wurde.

Der Wellencharakter des Röntgenlichts macht‘s möglich

Die konventionelle Röntgen-Bildgebung beruht auf der Abschwächung des Röntgenlichts auf seinem Weg durch das Gewebe. Die Dunkelfeld-Technologie dagegen nutzt Anteile des Röntgenlichts, die gestreut werden und beim konventionellen Röntgen unbeachtet bleiben.

Die neue Methode nutzt damit das physikalische Phänomen der Streuung auf ähnliche Weise wie die schon länger bekannte Dunkelfeldmikroskopie mit sichtbarem Licht: Diese macht es möglich, Strukturen weitgehend transparenter Objekte sichtbar zu machen. Im Mikroskop erscheinen sie als helle Strukturen vor einem dunklen Hintergrund, was der Methode ihren Namen verleiht.

„An Grenzflächen zwischen Luft und Gewebe beispielsweise ist die Streuung des Röntgenlichts besonders stark“, erklärt Pfeiffer. „Dadurch lassen sich in einem Dunkelfeldbild der Lunge Bereiche mit intakten, also luftgefüllten, Lungenbläschen klar von Regionen unterscheiden, in denen weniger intakte Lungenbläschen vorhanden sind.“

Geringere Strahlendosis

Eine Untersuchung mit der Dunkelfeld-Röntgen-Technik ist außerdem mit einer deutlich geringeren Strahlendosis verbunden als die heute verwendete Computertomografie. Denn sie erfordert nur eine einzelne Aufnahme pro Patientin oder Patient, während für die Computertomografie zahlreiche Einzelaufnahmen aus verschiedenen Richtungen erstellt werden müssen.

„Wir rechnen mit einer um den Faktor Fünfzig reduzierten Strahlenbelastung“, sagt Franz Pfeiffer. Darüber hinaus haben die ersten klinischen Ergebnisse bestätigt, dass das Dunkelfeld-Röntgen zusätzliche bildliche Informationen über die zugrundeliegende Mikrostruktur der Lunge liefert.

„Angesichts des engen Zusammenhangs zwischen der Alveolarstruktur und dem funktionellen Zustand der Lunge ist diese Fähigkeit für die Lungenheilkunde von großer Bedeutung,“ erklärt Dr. Alexander Fingerle, Oberarzt des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie am Klinikum rechts der Isar der TUM. „In Zukunft könnte das Dunkelfeld-Röntgen so zu einer besseren Früherkennung von COPD und anderen Lungenerkrankungen beitragen.“

Zukünftig bessere Röntgengeräte für die Früherkennung

Franz Pfeiffer hofft, mit diesen ersten klinischen Ergebnissen an Patienten die Durchführung weiterer klinischer Studien und die Entwicklung marktfähiger Geräte zu beschleunigen, die die Dunkelfeld-Methode nutzen.

„Mit der Dunkelfeld-Röntgen-Technologie haben wir aktuell eine Chance, die Früherkennung von Lungenkrankheiten deutlich zu verbessern und gleichzeitig auch breiter als bisher einzusetzen,“ betont Pfeiffer.

Da die Dunkelfeld-Bildgebung nicht auf COPD beschränkt ist, sind auch weitere translationale Studien zu anderen Lungenpathologien wie Fibrose, Pneumothorax, Lungenkrebs und Lungenentzündung, einschließlich COVID-19, von großem Interesse.

PD Dr. med. Andreas Sauter bei der Auswertung von Röntgenaufnahmen im Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie im Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München. Andreas Heddergott / TUM

Die Arbeiten wurden unterstützt durch das European Research Council im Rahmen eines Advanced Grants, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Philips Medical Systems DMC GmbH. Mitautor Thomas Köhler (Philips) war Rudolf Diesel Industry Fellow des TUM Institute for Advanced Study (TUM-IAS), das aus Mitteln der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder sowie des Marie Curie COFUND-Programm der EU gefördert wird. Ein Teil der Arbeiten wurde in Kooperation mit der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), einer Helmholtz-Forschungsinfrastruktur am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), durchgeführt.

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Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Lehrstuhl für Biomedizinische Physik
Department für Physik / Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE)
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 12551 (Büro) – +49 89 289 12552 (Sekretariat)
E-Mail: franz.pfeiffer@tum.de

Dr. Andreas Battenberg Technische Universität München

E-Mail-Adresse: battenberg@zv.tum.de

Originalpublikation:

Konstantin Willer, Alexander Fingerle, Wolfgang Noichl, Fabio De Marco, Manuela Frank, Theresa Urban, Rafael Schick, Alex Gustschin, Bernhard Gleich, Julia Herzen, Thomas Koehler, Andre Yaroshenko, Thomas Pralow, Gregor Zimmermann, Bernhard Renger, Andreas Sauter, Daniela Pfeiffer, Marcus Makowski, Ernst Rummeny, Philippe Grenier, Franz Pfeiffer
X-ray dark-field chest imaging for detection and quantification of emphysema in patients with chronic obstructive pulmonary disease: a diagnostic accuracy study
Lancet Digital Health, Volume 3, ISSUE 11, e733-e744, November 01, 2021 – DOI: 10.1016/S2589-7500(21)00146-1

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Weitere Informationen für international Medizin am Abend Berlin Beteiligte

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Brustkrebsverdacht: Diffusionsgewichtete Magnetresonanz-Tomographie + Mammografie-Sceening

Medizin am Abend Berlin Fazit:   Bild statt Biopsie bei Brustkrebsverdacht?

Jedes Jahr nehmen in Deutschland rund 2,8 Millionen Frauen am Mammografie-Screening teil. Bei etwa 35 000 von ihnen zeigt das Röntgenbild eine auffällige Veränderung, die Ärzte mit einer Gewebeentnahme abklären. Doch nur etwa die Hälfte dieser Frauen ist tatsächlich an Brustkrebs erkrankt. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg haben nun in Zusammenarbeit mit den Mammographie-Einheiten in Heidelberg und Mannheim erste Daten veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass eine moderne diffusionsgewichtete Magnetresonanz-Tomographie den Betroffenen eventuell viele Kontrollbiopsien ersparen könnte. Die Dietmar Hopp-Stiftung fördert die Studie mit 300 000 Euro. 

 
 Der auffällige Befund der Röntgen-Mammographie (links) bestätigt sich bei der kombinierten diffusionsgewichteten Brust-MRT (rechts): Das orangefarbene Signal lässt auf einen bösartigen Tumor schließen. Eine anschließende Gewebeuntersuchung bestätigte das MRT-Ergebnis. Quelle: DKFZ
 

• Etwa jede zwanzigste Frau, die am Mammographie-Screening teilnimmt, muss damit rechnen, einen auffälligen Befund zu erhalten. Falls sich der Krebsverdacht bei weiteren Untersuchungen erhärtet, schlagen die Screeningärzte vor, eine Gewebeprobe (Biopsie) zu entnehmen. Das betrifft jährlich knapp 35 000 Frauen. 

„Doch nur bei rund 17 000 von ihnen findet sich dann auch tatsächlich ein bösartiger Tumor“, sagt Dr. Sebastian Bickelhaupt. Der Radiologe erforscht am Deutschen Krebsforschungszentrum die Möglichkeiten der modernen MRT-Bildgebung bei Brustkrebs. „Wir haben überlegt, ob wir mit neuesten Bildgebungsverfahren den Anteil an invasiven Gewebeuntersuchungen nicht reduzieren könnten.“

• In der Mammographie, der Röntgenaufnahme der Brust, sieht man den Unterschied zwischen bösartig und gutartig verändertem Gewebe häufig nicht deutlich genug, um einen bösartigen Tumor mit ausreichender Sicherheit auszuschließen. Wenn auch weitere Untersuchungen wie etwa Ultraschall keine Klarheit bringen, muss eine invasive Biopsie erfolgen.

Speziell für diese Fragestellung optimierten die DKFZ-Radiologen die diffusionsgewichtete Magnetresonanz-Tomographie.

„Das besondere an einer diffusionsgewichteten MRT ist, dass man die Bewegung der Wassermoleküle im Gewebe sieht“, erklärt Professor Heinz-Peter Schlemmer, Leiter der Radiologie im DKFZ. „Da Tumoren die Bewegung der Moleküle stark einschränken, wollten wir nun prüfen, ob unsere optimierte Brust-MRT das Potential hat, verdächtige Befunde ohne Biopsie abzuklären.“

In enger Kooperation mit den niedergelassenen Kollegen der radiologischen Gemeinschaftspraxis der Heidelberger ATOS-Klinik um Dr. Wolfgang Lederer sowie dem Radiologiezentrum Mannheim um Dr. Heidi Daniel, in deren Praxen das Mammographie-Screening stattfindet, planten die DKFZ-Forscher daher eine Studie. Bei auffälligen Screening-Befunden werden die Frauen für die weiteren Untersuchungen und im Regelfall auch die Gewebeentnahmen ins Radiologiezentrum Mannheim geladen.

„Wir haben die Frauen gefragt, ob sie bereit wären, für unsere Studie vor der Gewebeentnahme eine optimierte Brust-MRT machen zu lassen“, erklärt Heidi Daniel. „Von der hohen Teilnahmebereitschaft waren wir überrascht, ohne sie wäre die Studie zu diesem Zeitpunkt noch nicht so fortgeschritten. Daher gilt unser Dank auch den vielen Teilnehmerinnen“, schließt sich Wolfgang Lederer an.

Anschließend verglichen die DKFZ-Radiologen die MRT-Bilder mit den Biopsie-Ergebnissen. „Wir waren bereits nach den ersten 50 untersuchten Frauen begeistert: Durch die zusätzliche optimierte Brust-MRT konnten wir über 90 Prozent der auffälligen Befunde richtig klassifizieren. Das ist gegenüber der Rate von 50 Prozent, wie sie mit der Mammografie und anschließendem Ultraschall erreicht wird, eine enorme Steigerung“, sagt Sebastian Bickelhaupt.

Das Mammografie-Screening nun durch eine Brust-MRT-Screening zu ersetzen, hält Schlemmer nicht für den richtigen Weg: „Die Stärke der Studie liegt in der Nutzung der MRT als zusätzliche Abklärungsmaßnahme.“

• Die Röntgen-Mammografie entdeckt im Gegensatz zur MRT auch feinste Mikroverkalkungen, die auf nicht-invasiven Brustkrebs (DCIS) hinweisen.

Um verdächtige Befunde abzuklären, ist die optimierte Brust-MRT nach Schlemmers Meinung gut geeignet. Eine Biopsie wäre nur noch dann erforderlich, wenn die MRT einen positiven Befund sehr wahrscheinlich macht.

Die Wissenschaftler hatten für ihre Studie die diffusionsgewichtete MR-Mammographie weiterentwickelt und speziell für die Fragestellung optimiert. Dazu haben sie in Kooperation mit Kollegen aus dem DKFZ ein Qualitätsmanagement-System zur Standardisierung und Qualitätssicherung der Brust-MRT etabliert, das mit allen gängigen MR-Geräten funktioniert.

„Wir danken sehr der Dietmar Hopp-Stiftung, die unsere Studie durch ihre großzügige Unterstützung erst ermöglicht hat“, ergänzt Heinz-Peter Schlemmer. „Wenn sich die Ergebnisse im weiteren Verlauf bestätigen, sind wir auf einem guten Weg, die enorme emotionale Belastung der Frauen mit unklaren Befunden im Mammographie-Screening zu reduzieren.“

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihr vielversprechendes Zwischenergebnis jetzt in der amerikanischen Zeitschrift Radiology. „Wir gehen davon aus, dass wir bis Oktober die vorgesehenen 250 Frauen untersuchen können und hoffen natürlich, dass sich unsere bisherigen Ergebnisse bestätigen“, sagt Sebastian Bickelhaupt.

Bis es soweit ist, dass allein auf Grundlage der MRT auf Biopsien verzichtet werden kann, und die Kosten der diffusionsgewichteten Brust-MRT von den Kassen übernommen werden, sind anschließend noch deutlich größere Studien erforderlich.

• Die DKFZ-Radiologen wollen nun auch bei anderen Tumorarten untersuchen, wie sich die diffusionsgewichtete Magnetresonanz-Tomographie zur Abklärung verdächtiger Befunde und zur Verlaufskontrolle eignet.

Bickelhaupt, S; Laun, F; Tessdorf, J; Lederer, M; Daniel, H; Stieber, A; Delorme, S; Schlemmer, HP: Fast and Noninvasive Characterization of Suspicious Lesions Detected at Breast Cancer X-Ray Screening: Capability of Diffusion-weighted MR Imaging with MIPs1.
Radiology 2015, DOI: 10.1148/radiol.2015150425


Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) ist mit mehr als 3.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte biomedizinische Forschungseinrichtung in Deutschland. Über 1000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen im DKFZ, wie Krebs entsteht, erfassen Krebsrisikofaktoren und suchen nach neuen Strategien, die verhindern, dass Menschen an Krebs erkranken. Sie entwickeln neue Methoden, mit denen Tumoren präziser diagnostiziert und Krebspatienten erfolgreicher behandelt werden können. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Krebsinformationsdienstes (KID) klären Betroffene, Angehörige und interessierte Bürger über die Volkskrankheit Krebs auf. Gemeinsam mit dem Universitätsklinikum Heidelberg hat das DKFZ das Nationale Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg eingerichtet, in dem vielversprechende Ansätze aus der Krebsforschung in die Klinik übertragen werden. Im Deutschen Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK), einem der sechs Deutschen Zentren für Gesundheitsforschung, unterhält das DKFZ Translationszentren an sieben universitären Partnerstandorten. Die Verbindung von exzellenter Hochschulmedizin mit der hochkarätigen Forschung eines Helmholtz-Zentrums ist ein wichtiger Beitrag, um die Chancen von Krebspatienten zu verbessern. Das DKFZ wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent vom Land Baden-Württemberg finanziert und ist Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren.

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