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Wo sich seltene Erde im Knochen versteckt

Überraschender Befund beim Untersuchen von Knochenproben: Spuren des seltenen Elements Gadolinium konnten nachgewiesen und erstmals genau lokalisiert werden.

Anna Turyanskaya im Labor beim Probenwechsel

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Anna Turyanskaya

Anna Turyanskaya im Labor beim Probenwechsel

Anna Turyanskaya im Labor beim Probenwechsel

Anna Turyanskaya und Mirjam Rauwolf

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Anna Turyanskaya und Mirjam Rauwolf

Es gehört nicht zu den Substanzen, mit denen man normalerweise täglich zu tun hat: Gadolinium, das chemische Element mit der Ordnungszahl 64, gehört zu den sogenannten „Seltenen Erden“ aus der Gruppe der Lanthanoide. Als man bei einem Forschungsprojekt der TU Wien in einer Knochenprobe auf Gadolinium stieß, war das zunächst eine Überraschung – doch die Erklärung war schnell gefunden: Das Element wird nämlich in Kontrastmitteln für die Magnetresonanztomographie verwendet, und Spuren davon können sich dann dauerhaft in den Knochen festsetzen.

Im Rahmen einer Studie, die nun in „Nature Scientific Reports“ veröffentlicht wurde, gelang es erstmals, die Verteilung der Gadolinium-Atome im Knochen genau abzubilden: Man findet sie vor allem in den sogenannten Havers- und Volkmann-Kanälen des Knochens.

Überraschung bei der Röntgenfluoreszenz-Analyse

Eigentlich suchte Anna Turyanskaya etwas ganz anderes: Die Physikerin aus dem Team von Prof. Christina Streli am Atominstitut der TU Wien, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster wollte die Mangan-Verteilung in verschiedenen Knochenproben ermitteln, um Unterschiede zwischen gesunden Knochen und Knochen mit Osteoporose zu untersuchen.

Dafür führt sie Röntgenfluoreszenz-Analysen am Elektronen-Synchrotrons ANKA in Karlsruhe, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster durch. Der Strahl wird dabei auf einen Bereich mit einem Durchmesser von 20 µm fokussiert, die Probe wird damit Punkt für Punkt abgetastet. Die Atome in der Probe können durch den Strahl dazu angeregt werden, ihrerseits Strahlung auszusenden – das bezeichnet man als Röntgenfluoreszenz. Diese charakteristische Strahlung wird dann gemessen. An ihrer Zusammensetzung kann man genau erkennen, welche Atomsorten an diesem Punkt der Probe vorhanden sind.

Bei der Auswertung der Daten fiel allerdings auf, dass sich eine Probe ganz deutlich von den anderen unterschied: Sie zeigte erstaunlich hohe Werte von Gadolinium – einem Element, das man normalerweise im menschlichen Körper gar nicht findet. „Man hätte meinen können, dass es sich dabei um eine Kontamination oder um einen Fehler handelt. Aber durch sorgfältige Nachforschungen konnten wir unsere ursprüngliche Vermutung bestätigen: Es handelt sich tatsächlich um Gadolinium, vermutlich sind es Rückstände eines MRT-Kontrastmittels“, sagt Christina Streli.

Geringe Rückstände von Kontrastmitteln

Gadoliniumhaltige Kontrastmittel werden in der Magnetresonanz-Tomographie häufig eingesetzt. Sie haben den Vorteil, dass sie vom Körper innerhalb von 24 Stunden praktisch vollständig wieder ausgeschieden werden. Doch ein kleiner Anteil kann in verschiedenen Organen und Geweben gespeichert werden. „Dieser Umstand ist nicht extrem beunruhigend“, meint Christina Streli. „Es gibt derzeit keine Hinweise darauf, dass diese Rückstände schädlich sind – aber es ist wichtig, sich diese Sache genauer anzusehen. Und wir konnten nun zeigen, dass eine solche Untersuchung mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie auf hochpräzise Weise möglich ist.“

Weitere Messungen an verschiedenen Synchrotronstrahlungsquellen wurden durchgeführt, das Team der TU Wien arbeitete dabei mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Osteologie und dem Orthopäden Dr. Jochen Hofstätter (Orthopädisches Spital Speising) zusammen. Dabei gelang es erstmals, die räumliche Gadolinium-Verteilung im Inneren der Knochen sichtbar zu machen: Das Gadolinium lässt sich ganz besonders an den Wänden der Havers- und Volkmann-Kanäle nachweisen. Das sind feine Strukturen im Knochen, die winzige Blutgefäße und Nerven enthalten. Außerdem konnte man untersuchen, wie die Verteilung von Gadolinium in Knochen mit der Verteilung anderer Elemente wie Kalzium, Phosphor oder Zink zusammenhängt. „Wir hoffen, mit unserer Arbeit den Grundstein für weitere Forschung über Gadolinium gelegt zu haben“, sagt Christina Streli.

Originalpublikation

A. Turyanskaya et al., Detection and imaging of gadolinium accumulation in human bone tissue by micro- and submicro-XRF, Scientific Reports volume 10, 6301 (2020) , öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kontakt

Anna Turyanskaya
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T +43-1-58801-141397
anna.turyanskaya@tuwien.ac.at

Prof. Christina Streli
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T +43-1-58801-141330
christina.streli@tuwien.ac.at