ArchivDeutsches Ärzteblatt29-30/2015Photoakustische Bildgebung: Tiefer Blick ins Gewebe

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Photoakustische Bildgebung: Tiefer Blick ins Gewebe

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3-D-Darstellung von Tumorzellen durch neuen photoakustischen Scanner Foto: Jan Laufer
3-D-Darstellung von Tumorzellen durch neuen photoakustischen Scanner Foto: Jan Laufer

Mit photoakustischen Bildgebungsverfahren lassen sich hochauflösende Aufnahmen erzielen. Die Methodik vereint Vorteile der optischen und der akustischen Bildgebung: Kurze Lichtimpulse werden in ein Gewebe ausgesendet. Dort werden sie je nach Gewebeart – etwa 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 mit speziellen Rechenalgorithmen lassen sich daraus 3-D-Bilder rekonstruieren.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Ultraschall wird die akustische Strahlung in diesem Fall im Gewebe erzeugt (photoakustischer Effekt). Die Streuung akustischer Wellen auf ihrem Weg durch das Gewebe ist deutlich geringer als die Streuung von Licht. Dies ermöglicht es, besonders hochauflösende, räumliche Bilder der Verteilung von Gewebefarbstoffen zu erstellen.

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

Die molekulare Bildgebung macht sich das unterschiedliche Absorptionsspektrum von Gewebefarbstoffen zunutze: So nimmt etwa Hämoglobin eingehende Lichtimpulse anders auf als das Pigment Melanin. Um 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 nichtinvasive Langzeitstudien der Tumorentwicklung über Zeiträume von mehreren Wochen ermöglichen“, erläuterte Laufer. Denn die genetisch veränderten Zellen produzieren den Farbstoff Melanin nicht nur, sie geben die modifizierte Erbinformation bei der Teilung an Tochterzellen weiter.

Die 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. EB

* Jathoul AP, Laufer J, Ogunlade O, et al.: Deep in vivo photoacoustic imaging of mammalian tissues using a tyrosinase-based genetic reporter. Nature Photonics. März, 2015. doi:10.1038/nphoton.
2015.22

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