Bildgebende Verfahren

Mikrostrukturelle Bildgebung: Tumoren im Detail verstehen

Um Krebserkrankungen besser zu verstehen, reicht es oft nicht aus, lediglich die Größe und Lage eines Tumors zu betrachten. Entscheidend ist auch, wie Tumorgewebe im Inneren aufgebaut ist: Wie sind Zellen, Gefäße und Bindegewebe organisiert? Wie verändert der Tumor seine Umgebung? Und wie beeinflusst diese Wechselwirkung Wachstum, Ausbreitung und Therapieansprechen?

Die Arbeitsgruppe Mikrostrukturelle Bildgebung entwickelt Verfahren und Modelle, mit denen solche Mikro- und Ultrastrukturen sichtbar und messbar gemacht werden können – möglichst nicht-invasiv und im lebenden Organismus. Auf dieser Grundlage wollen wir biologische Prozesse in Tumoren besser verstehen und neue bildgebende Marker für die klinische Anwendung entwickeln. Dieses Wissen kann dazu beitragen, neue Behandlungskonzepte zu erstellen und den Erfolg von Therapien besser zu bewerten.

Am DKFZ stehen dafür ein 7-Tesla-Humanscanner sowie ein 9,4-Tesla-Kleintierscanner zur Verfügung. Ergänzend arbeitet die Gruppe eng mit den Core Facilities für Licht- und Elektronenmikroskopie am DKFZ sowie mit nationalen und internationalen Partnern innerhalb und außerhalb der Helmholtz-Organisation zusammen. 

 

Prävention und Früherkennung von Krebserkrankungen 

Der Früherkennung von Krebserkrankungen kommt eine besondere Bedeutung zu, da eine frühe Erkennung von Krebserkrankungen oft entscheidend für die Wahl und den Erfolg der Behandlung ist.

Bildgebende Verfahren spielen hierbei eine zentrale Rolle, da sie Krebserkrankungen oder ihre Vorstufen frühzeitig und nicht-invasiv sichtbar machen können. Besonders relevant ist dies bei Menschen mit erhöhtem Krebsrisiko, etwa aufgrund einer genetischen Prädisposition oder anderer Risikofaktoren wie zum Beispiel dem Rauchen.

Für Studien zu Präventionsuntersuchungen wird am DKFZ insbesondere die  Magnetresonanztomographie (MRT) genutzt. Für die Durchführung computertomographischer (CT) Untersuchungen steht ein hochmodernes Photon-Counting-CT zur Verfügung, das mit besonders niedrigen Strahlendosen arbeitet. Ende 2026 werden zudem zwei neue Niederfeld-MRT-Geräte in Betrieb gehen, die die Entwicklung der Ganzkörper-MRT zur Früherkennung von Krebserkrankungen entscheidend voranbringen sollen.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte umfassen die Optimierung der Ganzkörper-MRT bei Personen mit Krebsprädispositionssyndromen wie dem Li-Fraumeni-Syndrom, die MRT der Bauchspeicheldrüse zur Früherkennung von Pankreaskarzinomen, MRT der Brust zur Weiterentwicklung von Untersuchungstechniken sowie die Früherkennung von Lungenkrebs mittels Niedrig-Dosis-CT.

 

Ganzkörperbildgebung beim Multiplen Myelom

Das Multiple Myelom ist eine Krebserkrankung ausgehend von Plasmazellen im Knochenmark, die zu einer Zerstörung von Knochen, aber auch einer Verdrängung der normalen Blutbildung oder zu Nierenschäden führen können. 

Ganzkörper-MRT- und -CT-Untersuchungen spielen beim Multiplen Myelom sowie den Vorstufen MGUS (monoklonale Gammopathie unklarer Signifikanz) und Smoldering Myelom eine entscheidende Rolle in der Diagnostik, der Stadieneinteilung, der prognostischen Einschätzung, sowie der Evaluation von Therapieansprechen oder Erkrankungsprogression im Verlauf: 

• CT-Untersuchung erlauben es hierbei, Schäden am mineralisierten Knochen zu detektieren und festzustellen, ob die Knochenmatrix von der Erkrankung stellenweise aufgelöst wurde (Osteolysen), oder ob bereits Frakturen aufgetreten sind. 
• Ganzkörper-MRT-Untersuchungen erlauben es, das Knochenmark und die Tumorzellen selbst direkt darzustellen, und bereits Veränderungen zu erkennen, die im CT noch nicht zur Darstellung kommen. Somit ermöglicht das MRT es gegenüber dem CT, schon früher relevante Erkrankungsprogresse bei Vorläuferstadien festzustellen, oder das Therapieansprechen besser zu beurteilen.

Bisherige Forschungsergebnisse und laufende Projekte zum Multiplem Myelom 

MRT-Untersuchungen bei Smoldering-Myelom-Patient:innen:

Unsere Gruppe konnte aufzeigen, dass regelmäßige Ganzkörper-MRT-Untersuchungen bei Patient:innen mit der Vorstufe Smoldering Myelom dazu beitragen, Erkrankungsprogresse früher zu erkennen, bevor sogenannte Endorganschäden auftreten.

MRT-Untersuchungen bei Patient:innen mit rezidiviertem und refraktärem Multiplem Myelom:

Unsere Gruppe konnte nachweisen, dass Patient:innen mit fortgeschrittenem Erkrankungsstadium, dem sogenannten rezidiviertem und refraktärem Multiplem Myelom andere Befallsmuster als neu diagnostizierte Myelompatienten aufweisen, und dass das MRT in dieser Situation ebenfalls eine wichtige Rolle in der Risikostratifizierung spielt.

Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit von Größenmessungen und ADC-Messungen:

In prospektiven Test-Retest Studien konnte unsere Gruppe Grenzwerte definieren, ab wann Größenänderungen oder Änderungen des ADC-Wertes mit hoher Sicherheit eine Veränderung der Erkrankung darstellen, und wann die Änderungen des Messwertes im Gegensatz vermutlich durch Unterschiede in der Bildaufnahme oder Bildauswertung zustande kommen.

Strukturierte Studienauswertungen für multizentrische Studien:

Im Rahmen mehrerer Arzneimittelstudien und deren Begleitforschungsprogrammen führt unsere Abteilung strukturierte MRT-Auswertungen bei Patient:innen mit Multiplem Myelom durch.

 

Arterial Spin Labeling (ASL): Durchblutung sichtbar machen – ohne Kontrastmittel

Arterial Spin Labeling (ASL) ist ein spezielles Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT), mit dem die Durchblutung von Gewebe nicht-invasiv und ohne Gabe eines Kontrastmittels untersucht werden kann. Dabei werden die körpereigenen Wassermoleküle im Blut magnetisch markiert und als natürlicher „Tracer“ genutzt, um die Gewebeperfusion quantitativ darzustellen.

Im Gegensatz zu kontrastmittelbasierten Perfusionsverfahren wie Dynamic Contrast Enhanced Imaging (DCE) benötigt ASL keine gadoliniumhaltigen Kontrastmittel. Dies ist insbesondere bei eingeschränkter Nierenfunktion oder für wiederholte Verlaufskontrollen von Vorteil. Da Wasser ein frei diffundierbarer Tracer ist, können mit ASL zudem physiologische Prozesse im Gewebe direkt untersucht und quantitativ modelliert werden. Die Durchblutung spielt bei vielen Erkrankungen zudem eine wichtige Rolle, insbesondere bei Tumoren. Veränderungen der Perfusion können Hinweise auf Tumoraktivität oder Therapieansprechen liefern. 

Am DKFZ wird ASL für verschiedene klinische und wissenschaftliche Fragestellungen eingesetzt und weiterentwickelt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Patientinnen mit gynäkologischen Tumorerkrankungen. Hier soll die Methode helfen, die Tumordurchblutung besser zu charakterisieren und Veränderungen unter Therapie frühzeitig sichtbar zu machen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Bildgebung von Nierentransplantaten, bei denen ASL eine kontrastmittelfreie Beurteilung der Organperfusion ermöglicht.

Aktuelle Forschungsarbeiten befassen sich unter anderem mit der technischen Optimierung der ASL-Bildgebung sowie der Entwicklung stabiler quantitativer bildgebender Biomarker für die klinische Anwendung. Ziel ist es, funktionelle MRT-Verfahren wie ASL stärker in die personalisierte Diagnostik und Therapieüberwachung nutzbar zu machen.

 

Klinische Translation Hyperpolarisierter 13C-MRT

Die hyperpolarisierte 13C-MRT ist ein innovatives Bildgebungsverfahren, das Stoffwechselprozesse im Gewebe nicht invasiv sichtbar machen kann. Im Unterschied zur klassischen MRT liefert sie nicht nur anatomische Informationen, sondern ergänzt die Bildgebung um dynamische metabolische Messwerte. Dafür wird eine spezielle Substanz kurz vor der Untersuchung hyperpolarisiert, wodurch ihr MRT-Signal vorübergehend stark verstärkt wird. Die Methode kommt ohne radioaktive Marker und ohne ionisierende Strahlung aus.

Klinisch ist die hyperpolarisierte 13C-MRT besonders für die onkologische Bildgebung interessant. Sie kann dazu beitragen, Gewebeveränderungen im Verlauf einer Erkrankung und unter Therapie besser zu charakterisieren. Damit eröffnet sie neue Perspektiven für das Therapiemonitoring bei Krebserkrankungen und kann langfristig helfen, Behandlungsentscheidungen stärker an individuellen biologischen Eigenschaften auszurichten.

Unser Beitrag liegt in der Translation dieser Technologie in klinisch nutzbare Forschungsabläufe. Im Fokus stehen standardisierte Untersuchungsprozesse, Qualitätssicherung, robuste Messprotokolle und die quantitative Auswertung der Bilddaten. Ziel ist es, die Methode für zukünftige Studien im Sinne einer personalisierten Medizin verlässlich prüfbar zu machen.

 

Quantitative Bildgebung

Die quantitative Bildgebung erweitert die klassische radiologische Bildbeurteilung um objektiv messbare Parameter. Während Standardverfahren vor allem Größe, Form und Kontrastverhalten von Läsionen zeigen, ermöglicht sie eine zusätzliche Charakterisierung von Gewebeeigenschaften. Dazu zählen unter anderem Diffusions- und Perfusionsbildgebung, Relaxometrie und MR-Elastographie. So erfassen wir Zell- und Gewebestruktur, Durchblutung, Wasser- und Fettgehalt sowie Gewebesteifigkeit. Diese Parameter sind in Standardaufnahmen oft nur indirekt sichtbar und liefern Informationen zur genauen Gewebezusammensetzung.

Klinisch ist die quantitative Bildgebung in der onkologischen Diagnostik, beim Staging und im Therapiemonitoring relevant. Sie hilft, Tumoren nicht-invasiv besser zu charakterisieren, frühe Therapieeffekte sichtbar zu machen und Veränderungen im Krankheitsverlauf objektiv zu vergleichen.

Unser Fokus liegt auf der Entwicklung, Validierung und klinischen Anwendung quantitativer MRT-Verfahren. Ziel ist es, robuste Bildmarker zu etablieren, die diagnostische Entscheidungen verbessern, Therapieeffekte messbar machen und eine stärker personalisierte onkologische Versorgung unterstützen.