Universität Innsbruck
Illsutration einer Zelle mit leuchtenden Wasserstoffatomen

Bei der Kernspinresonanz-Therapie wird ein Magnetfeld mit einer entsprechenden Radiowelle kombiniert. Dadurch geraten Wasserstoffprotonen in Resonanz und nehmen Energie auf, die sie nach der Therapie wieder an die Zelle abgeben.

Durch Quan­ten­bio­lo­gie zu neuen The­ra­pie­an­sät­zen

Forscher*innen der Universität Innsbruck untersuchten die Wirkung von Kernspinresonanz auf Cryptochrom, ein wichtiges Protein der „inneren Uhr“. Zu ihrer Überraschung ließen sich die Ergebnisse der Experimente nur durch quantenmechanische Prinzipien erklären – und könnten ganz neue Therapieansätze ermöglichen.

Der Stoffwechsel in Säugetierzellen kann durch Resonanzen von Wasserstoffprotonen, erzeugt durch ein Magnetfeld in Kombination mit einer entsprechenden Radiowelle, gelenkt werden. Dieses Ergebnis kam für die Wissenschaftlerinnen vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck so überraschend, dass sie kurzerhand ihre Publikation umschreiben mussten. „Uns war zunächst gar nicht klar, dass wir uns mit unserer Arbeit im Bereich der Quantenbiologie bewegen“, erklärt Margit Egg, Leiterin der Studie.

Egg, die die Gruppe Chronobiologie am Institut für Zoologie leitet, führte gemeinsam mit ihrer Doktorandin Viktoria Thöni die Studie durch, welche gerade im wissenschaftlichen Journal „iScience“ veröffentlicht wurde. Publikationen in diesem Journal sind meist für mehrere Fachbereiche von Bedeutung. So auch die von Egg und Thöni: sie liefert sowohl für die Quantenphysik als auch für die medizinische Forschung wichtige Beobachtungen.

„Die Quantenbiologie ist bereits seit Jahrzehnten ein etabliertes Forschungsfeld, in der öffentlichen Wahrnehmung fristet sie aber eher noch ein Nischendasein“, erklärt Egg. „Quantenbiologie befasst sich mit allen Vorgängen in Lebewesen, die sich nicht durch klassische physikalische Gesetze erklären lassen, sondern nur durch Prinzipien der Quantenmechanik.“ Unter anderem beruhen Photosynthese, der Orientierungssinn und vermutlich auch der Geruchssinn und das Bewusstsein auf quantenbiologischen Mechanismen.

In Resonanz mit der inneren Uhr

Im Rahmen der Studie wurde die Therapieform der Kernspinresonanz (tNMR) genutzt, um Mäusezellen zu bestrahlen und dadurch das Protein Cryptochrom anzuregen. Cryptochrom ist ein wichtiger Teil der sogenannten „inneren Uhr“. Es wirkt beim Tag-Nacht-Rhythmus der meisten Lebewesen entscheidend mit und kommt in allen Körperzellen vor.

Bei der Kernspinresonanz-Therapie, die von der deutschen Firma MedTec aus Wetzlar entwickelt wurde, handelt es sich gewissermaßen um die „light“-Version eines MRTs. Durch die Kombination eines Magnetfeldes mit einer entsprechenden Radiowelle geraten Wasserstoffprotonen in Resonanz und nehmen Energie auf, die sie nach der Therapie wieder an die Zelle abgeben. Wegen des deutlich schwächeren Magnetfelds, das bei tNMR zum Einsatz kommt, und der entsprechend niedereren Radiofrequenz ist die Behandlung sanft und wird bereits seit zwei Jahrzehnten zur Therapie von Arthrose, Osteoporose und zur Regeneration von Bändern und Sehnen eingesetzt.

„Ursprünglich wollten wir einfach die Wirkung der Kernspinresonanz auf Cryptochrom testen. Ich hatte die Vermutung, dass dies vielleicht auch einen Einfluss auf Säugerzellen haben könnte. Das hat sich allerdings als grobe Untertreibung herausgestellt“, sagt Egg.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Kernspinresonanz den gesamten Stoffwechsel der Zelle änderte. Unter anderem wurde die Energiegewinnung durch Glucose, die Glykolyse, heruntergefahren. Die Zellen produzierten daher unter sauerstoffarmen Bedingungen viel weniger Laktat, als es sonst üblich ist. Obwohl der Stoffwechsel so deutlich eingeschränkt wurde, blieb die Atmung der Zellen konstant.

Neue Ansätze für Quantenphysik und Medizin

Diese Ergebnisse sind in zweierlei Hinsicht von Bedeutung. „Die Ergebnisse, die wir gemessen haben, dürften eigentlich bei der niederen Radiofrequenz, die wir verwendet haben, gar nicht vorhanden sein. Das macht die tNMR für die Quantenphysik sehr interessant, weil man damit die Auswirkungen von Protonenresonanzen untersuchen kann. Die Reaktion des Cryptochroms, die wir während der Behandlung beobachten konnten, nennt man den Radikal-Paar-Mechanismus. Dieser ist als "Quantenkompass" bekannt und hilft z.B. Zugvögeln bei der Navigation. Nun sehen wir diesen Effekt in Säugerzellen und das bei einer viel niedrigeren Radiofrequenz, die nicht Elektronen ansteuert, sondern Wasserstoffprotonen. Wie das sein kann, ist eine hochinteressante Frage, der es nachzugehen gilt“, sagt Egg.

Auch ergeben sich einige neue Ansätze für die medizinische Forschung. Die Wirkung der Protonenresonanzen auf den Stoffwechsel, vor allem unter niedriger Sauerstoffzufuhr, könnte tNMR zu einer wirkungsvollen Erstbehandlung für Schäden machen, die durch eine blockierte Sauerstoffzufuhr entstehen.

„Viele Schäden, die auf Schlaganfälle, Thrombosen oder Herzinfarkte folgen, entstehen dann, wenn die Blutzufuhr wiederhergestellt wird und die Gewebe plötzlich mit Sauerstoff geflutet werden. Dadurch entstehen freie Radikale, die das Gehirn oder den Herzmuskel schädigen“, erklärt Egg. Da tNMR die Zellatmung aufrechterhält, während der restliche Stoffwechsel inaktiv ist, könnte die Technologie dazu genutzt werden, den Organismus nach einer unterbrochenen Sauerstoffzufuhr schonend wieder hochzufahren. Auch in Tumoren wird in großen Mengen Glykolyse betrieben und Laktat produziert, weshalb die Ergebnisse der Studie für die Krebsforschung vielversprechend sind.

Egg und Thöni wollen sich auch in Zukunft verstärkt mit der Quantenbiologie befassen, unter anderem will Egg das Thema ausführlicher in ihrer Lehre behandeln – unter den Studierenden herrscht bereits großes Interesse.

Publikation:

Viktoria Thöni, David Mauracher, Anil Ramalingam, Birgit Fiechtner, Adolf Michael Sandbichler, Margit Egg: Quantum based effects of therapeutic nuclear magnetic resonance persistently reduce glycolysis, iScience, Volume 25, Issue 12, 2022, https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105536