Nobelpreise: Preisvorstellung

Die diesjährigen Auszeichnungen in den Naturwissenschaften lassen sich unter einem Aspekt zusammenfassen: Sie alle haben Folgen für die Medizin.

Mai des Vorjahres, Galaabend des 83. Deutschen Röntgenkongresses in Wiesbaden: Auf einer Terrasse mit Blick über den Rhein stehen die versammelten Radiologen in kleinen Gruppen und palavern über Neuigkeiten aus ihrem Fach. Etwas abseits steht ein älterer, nicht ganz anlassgemäß, beinah ärmlich gekleideter Herr, der aussieht, als ob er nicht dazugehört.

Es ist der Amerikaner Paul C. Lauterbur, der eingeladen wurde, um auf dem Kongress einen Vortrag über die Magnetresonanztomografie (MRT) zu halten, das Schwerpunktthema der Veranstaltung. Herwig Imhof, Professor für Radiodiagnostik an der Universität Wien, erinnert sich noch genau an die Szene. Er hatte Lauterbur schon Jahre davor kennen und schätzen gelernt, er traf ihn immer wieder auf Tagungen und Kongressen. Daher ging er auch diesmal auf ihn zu, um sich mit ihm zu unterhalten.
Lauterbur auf der Rheinterrasse – dieses Bild kam Imhof augenblicklich in den Sinn, als er am Montag der Vorwoche aus dem Radio die Namen der diesjährigen Nobelpreisträger für Medizin erfuhr: Der 74-jährige Lauterbur und der 70-jährige Brite Sir Peter Mansfield teilen sich den mit zehn Millionen Schwedenkronen (1,11 Millionen Euro) dotierten Preis für ihre grundlegenden Entdeckungen, die zur Entwicklung der Magnetresonanztomografie führten, einem bildgebenden Diagnoseverfahren, das schonende und präzise Einblicke in die inneren Organe des menschlichen Körpers ermöglicht. Ohne die Magnetresonanz wäre die heutige medizinische Diagnostik nicht denkbar.

„Ich hatte sehr freudige Empfindungen“, beschreibt Imhof seine Reaktion, „weil ich seit vielen Jahren mit Magnetresonanz beschäftigt bin und weil ich beide Preisträger persönlich kenne.“ In Anbetracht ihrer wissenschaftlichen Leistungen seien die beiden „ganz ausgezeichnet ausgewählte Kandidaten“.

Rotierende Atomkerne. Der Nobelpreis an Lauterbur und Mansfield ist der vorläufige Endpunkt in einer Reihe von Nobelpreisen, welche die Entwicklung bildgebender Diagnosemethoden begleiteten. Der allererste Physik-Nobelpreis ging 1901 an den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) für die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen. Den Physik-Nobelpreis 1952 erhielten der Schweizer Physiker und Schrödinger-Schüler Felix Bloch und der Harvard-Physiker Edward M. Purcell. Die beiden wurden für die Entdeckung der Magnetresonanz ausgezeichnet – physikalische Grundlage für die spätere Entwicklung der Magnetresonanztomografie.

Basis dieser Entdeckung ist die Tatsache, dass Atomkerne in einem starken Magnetfeld mit einer von der Feldstärke abhängigen Frequenz rotieren. Als eigentliche Magnetresonanz bezeichnet man das von Bloch und Purcell entdeckte Phänomen, dass sich das Energieniveau der Atomkerne erhöht, wenn sie Radiowellen gleicher Frequenz absorbieren. Sobald sie auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurückfallen, senden sie Radiowellen aus.

Zunächst wurde die Magnetresonanz vor allem zur Erforschung der chemischen Struktur unterschiedlicher Substanzen eingesetzt. Anfang der siebziger Jahre entdeckten Lauterbur und Mansfield, dass sich dieses Verfahren dazu verwenden lässt, um Bilder aus dem Inneren des menschlichen Körpers zu gewinnen.

Mithilfe der Röntgenstrahlen können Radiologen die Knochenstruktur und – mithilfe von Kontrastmitteln – die Ränder der Speiseröhre und des Magen-Darm-Traktes abbilden. Aber die Struktur der Weichteile und der inneren Organe blieb verborgen, bis es die ebenfalls mit Röntgenstrahlen betriebene Computertomografie gab, für deren Entwicklung der Brite Sir Godfrey N. Hounsfield 1979 den Medizin-Nobelpreis erhielt.

„Mit der Computertomografie hat man zum ersten Mal das Gehirn gesehen“, beschreibt Radiodiagnostiker Imhof die Entwicklung, „das hat sich im ganzen Körper fortgesetzt, von der Lunge bis hinunter zum Bauch und zu den Extremitäten. Und dann kam die Magnetresonanztomografie, die bezüglich der Weichteile und der inneren Organe fünf- bis zehnmal empfindlicher ist als die Computertomografie“.

Dieser Unterschied in der Bildgebung kann bei etlichen Krankheiten entscheidend sein. Bei der Diagnose von Gehirnschäden, von Veränderungen der Gelenke wie etwa Meniskuseinrissen, bei Knochenmarksveränderungen, bei Entzündungen und zur Früherkennung kleinster Tumore ist die Magnetresonanztomografie das mit Abstand beste Diagnoseinstrument. Die Technik gehört heute zur Krankenhausroutine, Jahr für Jahr werden weltweit mehr als 60 Millionen solcher Untersuchungen durchgeführt.
Imhof auf die Frage, in welchem Bereich der Medizin er einen der nächsten Nobelpreise erwarte: „Für Bereiche außerhalb meines Fachs möchte ich mir das nicht anmaßen.“ Aber im Bereich der Radiodiagnostik fällt ihm etwas Preiswürdiges ein: die Entwicklung der Spiral-Computertomografie durch eine deutsche Forschergruppe um den Medizinphysiker Willi Kalender an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Bei dieser Technik fährt der auf einem Schlitten liegende Patient durch eine schmale Tunnelröhre. Binnen 45 Sekunden wird der gesamte Körper gescannt, was für die Herzdiagnostik ebenso von unschätzbarer Bedeutung ist wie für die Unfallchirurgie: „Man weiß sofort, was im Gehirn los ist, was im Unterbauch, ob am Skelett oder an der Wirbelsäule etwas gebrochen ist“, erklärt Imhof. Und: „Die Leute, die das entwickelt haben, sind für mich Anwärter für den Nobelpreis.“

Die Physikpreise. Vielleicht ist es kein Zufall, dass auch der diesjährige Physik-Nobelpreis eine Verbindung zum Magnetresonanztomografen hat: Die beiden Russen Alexei A. Abrikosov und Vitali L. Ginzburg sowie der Brite Anthony J. Leggett werden für ihre grundlegenden Beiträge zur Theorie der Supraleitung und der Suprafluidität ausgezeichnet, zwei analogen Phänomenen in Festkörpern und in Flüssigkeiten. Die Supraleitung wurde 1911 entdeckt, die Suprafluidität 1938.

Supraleiter spielen auch im Magnetresonanztomografen eine zentrale Rolle. Dabei geht es um das physikalische Phänomen, dass Festkörper bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,12 Grad Celsius oder 0 Kelvin) elektrischen Strom nahezu ohne Widerstand leiten können. Je höher die Temperatur eines metallischen Festkörpers, desto „unruhiger“ sind die darin dicht gepackten Atome; indem sie sich eifrig hin und her bewegen, bilden sie gewissermaßen ein engmaschiges Gitter, durch das die Elektronen, die Träger der elektrischen Ladung, nur sehr gebremst hindurchkommen. Das nennt man den elektrischen Widerstand. Je stärker der metallische Festkörper abgekühlt wird, desto langsamer werden die Atome. Nahe dem absoluten Nullpunkt bewegen sie sich gar nicht mehr. Daher gibt es keine Wechselwirkungen mehr zwischen den Elektronen und dem „Gitter“, der Widerstand tendiert gegen null. Ist der Widerstand null, dann hat man einen Supraleiter. In ihm fließt elektrischer Strom ohne Verluste.

Laut Ginzburg und seinem russischen Physiker-Kollegen Lew Davidowitsch Landau, der schon 1962 für seine Arbeiten über kondensierte Materie, speziell über flüssiges Helium, mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, gibt es zwei Typen von Supraleitern. Typ I ist für technische Anwendungen auszuschließen, weil er magnetische Felder nicht in sich eindringen lässt. Es handelt sich dabei zumeist um reine Materialien, Elemente wie Quecksilber oder Niob, in denen der Stromtransport nur auf eine ganz dünne Haut an ihrer Oberfläche beschränkt ist.

Die überwiegende Zahl aller bekannten Supraleiter zählt zum Typ II – Materialien, in die ein Magnetfeld in Form so genannter Flussquanten eindringen kann. Wie diese angeordnet sind und wie sie sich in dem Supraleiter verhalten, das ist Inhalt jener Theorie, die Abrikosov schon vor 50 Jahren in seiner Doktorarbeit formuliert hatte. Die Arbeit erschien 1957 in der sowjetischen Zeitschrift für experimentelle und theoretische Physik. „Abrikosov hat damit die Grundlage für jede Anwendung der Supraleitung im Magnetfeld geschaffen“, formuliert es Harald Weber, Professor für Tieftemperaturphysik an der TU Wien.

Genau diese Supraleitung im Magnetfeld ist Kernpunkt des Magnetresonanztomografen. Ein so großes statisches Magnetfeld, in dem ein ganzer menschlicher Körper Platz hat, lässt sich nicht mit einer üblichen Kupferspule erzeugen, man benötigt dazu eine Spule aus einem speziellen Material – der Wickeldraht besteht aus einer Niob-Titan-Legierung. Diese Niob-Titan-Spule wird mit flüssigem Helium auf 4,2 Kelvin abgekühlt, also bis nahe an den absoluten Nullpunkt. „Wie der Stromtransport in solchen Legierungen funktioniert, basiert im Wesentlichen auf der Arbeit von Abrikosov“, erklärt Weber.

„Wir haben uns gewundert, dass er und Ginzburg, der Doyen der theoretischen Physik in Russland, nicht schon längst den Nobelpreis bekommen haben.“ Den nächsten nobelpreiswürdigen Durchbruch erwartet sich Weber im Bereich keramischer Drähte, Supraleitern, die mit flüssigem Stickstoff bei minus 196 Grad gekühlt werden und die „die gesamte Technologie revolutionieren könnten“. Damit ließe sich Strom in Hochstromleitungen ohne Verluste transportieren. Bisherige Versuche in Kopenhagen verliefen erfolgreich.

Die Chemiepreise. Nicht nur der diesjährige Nobelpreis für Physik, auch der Chemie-Nobelpreis hat Bedeutung für die Medizin. Die beiden Amerikaner Peter Agre und Roderick MacKinnon werden für ihre Entdeckung von Kanälen in Zellmembranen ausgezeichnet. Sie konnten die fundamentalen molekularen Mechanismen entschlüsseln, wie die Zelle Wasser oder Ionen aufnimmt und wieder abgibt. Das hat Bedeutung für die gesamte Biologie, von der Pflanze über kleinste Lebewesen bis zum Menschen.

In die verschiedenen Kanäle sind biologische Schalter eingebaut, die als eine Art Schleusenwärter fungieren. Timothy Skern, Professor am Institut für medizinische Biochemie am Vienna Biocenter, nennt sie „biologische Transistoren“. 1988 gelang es Peter Agre, ein Protein in der Zellmembran zu isolieren, das den für Wasser zuständigen Transistor in der Zellmembran steuert. Die menschliche Niere beispielsweise filtriert 180 Liter pro Tag, scheidet aber nur 0,5 bis einen Liter Harn aus. Agre konnte klären, wie das Organ aus dem Primärurin wieder Wasser zurückgewinnt, um es dem Körper zur Verfügung zu stellen. Heute können die Forscher einem Wassermolekül auf seinem Weg durch die Zellmembran folgen und verstehen, warum nur Wasser- und keine anderen Moleküle passieren können.

1998 gelang es Roderick MacKinnon, die räumliche Struktur eines Kaliumkanals zu bestimmen. Dank dieser Arbeit, die das Wissenschaftsjournal „Science“ als „einen der wissenschaftlichen Durchbrüche des Jahres“ bezeichnete, verstehen die Forscher heute, wie Kanäle mittels verschiedener Signale geöffnet und geschlossen werden und wie auf diese Weise beispielsweise Herz- oder Nervenzellen Signale erhalten. „Für mich war lange klar, dass MacKinnon den Nobelpreis bekommen wird“, sagt Skern. „Seine Entdeckung hat uns um so viel weiter gebracht.“