Photoakustische Bildgebung ermöglicht tiefen Blick ins Gewebe

Tumorzellen produzieren ihr eigenes Kontrastmittel

18.03.2015

©Jan Laufer

3D-Darstellung von Tumorzellen durch neuen photoakustischen Scanner

Photoakustische Bildgebung ermöglicht die dreidimensionale Darstellung von Zellen und Gewebe. Bisher wird sie vor allem genutzt, um Blutgefäße zu visualisieren. Tumorzellen dagegen erscheinen transparent und sind somit fast unsichtbar. Wissenschaftler der TU Berlin, der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des University College London haben Tumorzellen genetisch so verändert, dass sie den körpereigenen Farbstoff Melanin produzieren. Damit werden sie für die Photoakustik erkennbar. Ein neuartiger Scanner ermöglicht es zudem, die Tumorzellen selbst in tieferen Gewebeschichten aufzuspüren. Die Ergebnisse der interdisziplinären Studie sind im aktuellen Fachmagazin Nature Photonics* veröffentlicht.

Hochauflösende Aufnahmen sind das Ergebnis photoakustischer Bildgebungsverfahren. Die Methodik vereint Vorteile der optischen wie auch der akustischen Bildgebung: Kurze Lichtimpulse werden in ein Gewebe ausgesendet. Dort werden sie je nach Gewebeart – beispielsweise Gefäße, Muskel- oder Tumorgewebe – und den dort enthaltenen Farbstoffen unterschiedlich aufgenommen und in akustische Ultraschallwellen umgewandelt. Sensoren an der Gewebeoberfläche, wie der Haut, können diese Wellen messen. Anhand der Daten und mithilfe spezieller Rechenalgorithmen lassen sich in der Folge 3D-Bilder rekonstruieren. Im Gegensatz zum konventionellen Ultraschall wird die akustische Strahlung in diesem Fall im Gewebe erzeugt – ein Prozess, der auch als photoakustischer Effekt bezeichnet wird. Die Streuung akustischer Wellen auf ihrem Weg durch das Gewebe ist deutlich geringer als die Streuung von Licht. Diese Tatsache ermöglicht es, besonders hochauflösende, räumliche Bilder der Verteilung von Gewebefarbstoffen zu erstellen.

Dr. Jan Laufer, Leiter der Forschungsgruppe am Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin und am Institut für Radiologie der Charité, sowie die Arbeitsgruppe am University College London haben nun gemeinsam einen neuen, hochempfindlichen photoakustischen Scanner entwickelt, der auf einer rein optischen Messung des Ultraschallfeldes beruht. Die extrem kleinen Detektoren erzeugen 3D-Bilder in einer sehr hohen Auflösung und ermöglichen Untersuchungen in Geweberegionen von lebenden Organismen mit Bildtiefen bis zu einem Zentimeter. Bisherige, rein optische Technologien mit hoher Auflösung, wie Mikroskopie oder Kohärenztomographie, konnten nur Tiefen bis zu einem Millimeter erreichen. Außerdem haben die Forscher neue Verfahren zur Rekonstruktion und Analyse der Daten entwickelt, um noch bessere Bildqualitäten bereitzustellen.

Die Molekulare Bildgebung macht sich das unterschiedliche Absorptionsspektrum von Gewebefarbstoffen zunutze: So nimmt beispielsweise Hämoglobin, der rote Blutfarbstoff, eingehende Lichtimpulse anders auf als das Pigment Melanin. Um nun auch optisch fast transparente, kontrastlose Tumorzellen darstellen zu können, haben Zellbiologen der Forschergruppe die Erbinformation von Krebszellen modifiziert, so dass sie selbst lichtabsorbierendes Melanin, also ihr eigenes Kontrastmittel, produzieren. „Durch die Kombination von permanentem, von den Zellen selbst generiertem Kontrast und hochauflösender photoakustischer Bildgebung konnten wir erstmalig nicht-invasive Langzeitstudien der Tumorentwicklung über Zeiträume von mehreren Wochen ermöglichen“, so Dr. Jan Laufer. Denn die genetisch veränderten Zellen produzieren den Farbstoff Melanin nicht nur, sie geben die modifizierte Erbinformation, bei der Teilung an Tochterzellen weiter.

Die nun entwickelte Methode eröffnet der photoakustischen Bildgebung breite Anwendungsfelder in den Lebenswissenschaften, beispielsweise für Studien von zellulären und genetischen Prozessen in Tumoren im Wachstumsstadium oder im Verlauf einer Therapie. Die Weiterentwicklung der photoakustischen Bildgeber- und Reportergentechnologie durch die Wissenschaftler der Charité und der TU Berlin wird mit dem ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrates gefördert.

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