Alfred Nobel kent geen grenzen

Een chemische Nobelprijs met medische relevantie, een medicijnenprijs voor fysici: van disciplinegrenzen trekt het Nobelprijscomité zich dit jaar weinig aan....

Geneeskunde

Het maken van plaatjes met behulp van magneetvelden (MRI) heeft een grote vlucht genomen in de geneeskunde. Elk beetje zichzelf respecterend ziekenhuis heeft een apparaat staan waarmee snel een beeld van een inwendig lichaamsdeel kan worden gemaakt.

In de medische wereld wordt het daarom als vanzelfsprekend gezien dat de Amerikaan Paul Lauterbur (74, links), de geestelijke vader van deze vinding, een Nobelprijs voor Geneeskunde heeft gewonnen. Hij deelt de prijs met de Brit Peter Mansfield (70) die de vinding van Lauterbur praktisch bruikbaar maakte voor de medische praktijk.

Meestal duurt het decennia voordat een vinding die is ontsproten uit het brein van een onderzoeker, de weg vindt naar de praktijk van alledag. Bij MRI (Magnetic Resonance Imaging) ging het razendsnel. In 1973 beschreef de fysicus Lauterbur de techniek om met magnetische velden tweedimensionale opnames te maken van structuren die normaal niet zichtbaar waren.

Er was weinig medisch aan het onderzoek van Lauterbur. Hij deed zijn experiment met zwaar water (een vorm van water met een zwaarder dan normaal waterstofatoom). Met MRI was een onderscheid tussen zwaar en normaal water aan te tonen. Dat lukt met geen enkele andere beeldvormende methode.

Mansfield verfijnde de techniek en wist hoe de signalen snel konden worden verwerkt tot een plaatje. Dit was een essentiële stap om MRI praktisch toepasbaar te maken voor de medische wetenschap. In 1978 was Mansfield betrokken bij de eerste medische MRIscan ter wereld in Edinburgh, zegt hoogleraar radiologie prof. dr. Jonas Castelijns van het VU Medisch Centrum in Amsterdam.

MRI maakt gebruik van de aanwezigheid van waterstofatomen. De magnetische velden weten die atomen te magnetiseren. Daarna worden er radiogolven op afgestuurd waardoor de atomen gaan trillen, ofwel resoneren. Als het radiosignaal wegvalt, zenden de trillende atomen energie uit waarmee dan een uiterst nauwkeurig beeld van de structuur wordt verkregen. Afhankelijk van het weefsel waarin de waterstof zit, is de trilling anders, legt Castelijns uit. Op die manier zijn de verschillende weefsels op een MRI plaatje van elkaar te onderscheiden, veel beter dan de tot dan toe gebruikte CT-scan.

Leiden had in 1982 de primeur voor Nederland, gevolgd door de VU in 1985. In 2002, zo is de schatting, staan er wereldwijd 22 duizend MRI-apparaten waarmee jaarlijks zestig miljoen onderzoeken worden gedaan. In Nederland zijn zo'n honderd scanners in gebruik, goed voor een kwart miljoen onderzoeken per jaar.

MRI heeft een groot voordeel. Met de techniek zijn structuren te zien die tot dan toe verborgen bleven voor de medische onderzoekers of alleen te zien waren door de patiënt open te snijden.

De ontwikkeling van de MRI staat niet stil. De sterkte van de magneetvelden (uitgedrukt in tesla) waarmee wordt gewerkt, neemt toe. Hoe sterker, hoe beter de resolutie. 'Voor de routinepatiënt kan ik met één tot anderhalve tesla meestal uit de voeten. Er komen drie-tesla-apparaten en die hebben misschienonvermoede toepassingen', beziet Castelijns de toekomst.

Een MRI-apparaat dat werkt met een veldsterkte van één tesla, kost grofweg een miljoen euro. Voor elke tesla komt er een miljoentje bij, rekent Castelijns voor. Drie kwartier in een MRI kost ongeveer vijfhonderd euro.

Natuurkunde

Een van de overtuigende bewijzen dat supergeleiders rare dingen zijn, is de proef van Meissner. De opzet is simpel. Neem een pilletje lood, leg het op een magneet en koel het geheel stevig af. Vanaf een temperatuur ver onder nul begint het lood opeens te zweven.

Dat komt, zeggen fysici, doordat het lood bij extreme afkoeling supergeleidend wordt en geen magneetveld meer in zijn binnenste toelaat. Het buigt het magneetveld boven de magneet weg en wordt opgetild door de tegenkracht die dat oproept.

Toch, zegt de Leidse supergeleidingsexpert prof. dr. Peter Kes, vertoont maar een klein deel van alle bekende supergeleiders het klassieke Meissnereffect. 'Sterker nog, de materialen die het vertonen, zijn in elk geval technisch niet zo interessant omdat ze bij een iets sterker magneetveld meteen hun supergeleiding weer verliezen.'

Echt interessant zijn de zogeheten type-II supergeleiders, doorgaans metaallegeringen die geen Meissner-effect kennen maar in vele, sterkere magneetvelden wel hun eigenschappen behouden. Bijvoorbeeld als weerstandloze stroomdraden in de spoelen die de magneetvelden produceren voor moderne MRI-scanners, de vinding waarvoor maandag al de Nobelprijs voor Geneeskunde werd toegekend.

Fysicus Heike Kamerlingh Onnes zag in 1919 in Leiden als eerste dat kwik zijn elektrische weerstand verliest als het extreem koud is. Onderzoek wees uit dat meer metalen supergeleiding vertoonden, maar theoretisch bleef bijna een halve eeuw onduidelijk waarom.

Pas in de jaren vijftig bleek dat dat kwam doordat elektronen in het materiaal bij extreme koeling een soort dansparen vormen, gekoppeld door hun magnetische eigenschappen. In sommige materialen past de wals van al die paren perfect in het kristalrooster van atomen en is er geen meetbare weerstand meer.

De simpele supergeleiders van Kamerlingh Onnes werden in 1957 op die manier verklaard. Maar de type-II supergeleiders die wél hun weerstand konden verliezen maar weigerden te zweven, bleven een raadsel.

Tot in 1962 de Amerikaanse theoreticus Bruce Goodman, een oude rot in het vak, in een overzichtsartikel bekende dat al zijn ideeën waardeloos waren vergeleken met die van een onbekende Russische fysicus: Alexej Abrikosov van de groep van Lev Landau in Moskou.

Verstopt achter het IJzeren Gordijn en helemaal in het Russisch bleek die jongeman wel te hebben begrepen wat er gaande is in de types-II. Een magneetveld kan daarin wel doordringen, maar wordt samengeperst in dunne bundels die altijd een vaste hoeveelheid magnetisme bevatten. Hij ontleende zijn inspiratie aan het werk van zijn oudere collega Vitaly Ginzburg (87, links), deze week met Abrikozov (75, midden) winnaar van de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Abrikozovs leermeester Landau verwees zijn theorie in eerste instantie overigens naar de prullenbak, vooral omdat hij zelf met een eigen variant bezig was waarin vlakke magneetlaagjes een rol speelden.

In de strijd tussen leerling en meester speelde ook supervloeibaarheid een rol, het tweede tastbaar quantumeffect waarvoor deze week de Brit Tony Leggett (65, rechts) zijn deel van de Nobelprijs kreeg. Superfluïditeit is het effect dat bepaalde extreem gekoelde gassen op een heel speciale manier vloeibaar worden. Ze kruipen tegen de wand van hun containers omhoog en blijven, eenmaal in beweging, altijd doorbewegen.

Landau probeerde in de jaren vijftig supervloeibaarheid ook te begrijpen met zijn vlakke laagjes, maar faalde. Abrikosov greep zijn kans en hij hield Landau opnieuw zijn theorie voor type-II supergeleiders voor. 'Abrikosov verdiende de prijs alleen al voor de manier waarop hij vasthield aan zijn inzicht', zegt Kes.

Chemie

Een mens bestaat voor rond zeventig procent uit zout water, dat voornamelijk opgesloten is in cellen. Al sinds het midden van de 19de eeuw was het vermoeden dat er speciale kanaaltjes in de wanden van die cellen moesten bestaan, waardoor water en zouten konden bewegen.

Maar hoe dat precies gaat, is een verrassend recente ontdekking: Peter Agre van Johns Hopkins University School of Medicine bewees tussen 1988 en 1992 dat er in het celmembraan een eiwit voorkomt dat selectief watermoleculen kan doorlaten. Kort daarvoor was nog serieus bediscussieerd of het idee van selectieve waterkanaaltjes in celwanden niet gewoon een illusie was.

Woensdag kreeg biochemicus Agre (54, links) er de Nobelprijs voor Scheikunde voor, samen met moleculair bioloog Roderick MacKinnon (47) van Rockefeller University in New York, die het zouttransport ontrafelde.

'Agre had zijn werk echt nog maar net gepubliceerd, toen ik hier begon', zegt moleculair celbioloog dr. Peter Deen van het Universitair Medisch Centrum St. Radboud in Nijmegen, net als Agre een specialist in wat membraankanalen zijn gaan heten.

Levende cellen zijn omgeven door een membraan dat is opgebouwd uit een waterafstotend vlies van lipiden, aan elkaar gekoppelde eiwitten. De moleculaire doorgangen daarin stellen de cel in staat zijn waterdruk en volume te reguleren, en omgekeerd om water uit lichaamsvloeistoffen terug te winnen. Membraan-kanalen worden in alle organismen aangetroffen, van mens tot bacterie en plant.

Agre begon eind jaren tachtig in Baltimore met studies van het membraan van rode bloedcellen, waarvan in de jaren vijftig al was aangetoond dat er snel water doorheen kon bewegen. In 1988 isoleerde hij een specifiek eiwit, CHIP28 gedoopt, met een onbekende functie waarvan hij gaandeweg het vermoeden kreeg dat water daarlangs cellen in en uit kon glippen. Deen: 'Nijmegen had daarbij nog zelfs een rol gespeeld, omdat het eiwit hier net voor het eerst beschreven was.'

Agre bewees dat CHIP28, later aquaporine genaamd, het waterkanaal door het celmembraan is.

In de mens, zo heeft onderzoek van groepen als in Nijmegen sindsdien uitgewezen, zijn zeker elf aquaporine-achtige eiwitten aanwezig. Aan defecten in sommige typen zijn ziekten als bijvoorbeeld waterhoofdigheid (encefalitis) gekoppeld.

Inmiddels is ook bekend hóe CHIP28 water doorlaat. De ruimtelijke vorm van het grote eiwitmolecuul maakt dat de watermoleculen er echt één voor één doorheen moeten, halverwege nog kantelend ook, waardoor de watermoleculen hun onderlinge verband echt verliezen. Niettemin kunnen er miljarden moleculen per seconde door zulke kanalen bewegen.

Nog gespecialiseerder zijn de membraankanalen voor transport van zouten waarvoor MacKinnon zijn helft van de Nobelprijs krijgt. Die werken zo specifiek dat ze relatief grote kalium-ionen, de dragers van elektrische signalen tussen zenuwcellen, wel doorlaten en chemisch vergelijkbare natrium-ionen niet, ook al zijn die kleiner.

MacKinnon publiceerde in 1998 als eerste tot op het atoom nauwkeurig de structuur van zo'n kalium-kanaal, tot grote opwinding van celbiologen, chemici en ook medici. Deen: 'Moleculaire machines die we tot op atomair niveau in actie kunnen zien en die uiteindelijk toch fysiologisch relevant zijn. In gewoon Nederlands: of je nieren goed werken of niet.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden