Klangvolles Mikroskop

Mit Laserblitzen und Ultraschallsignalen blicken Forscher des Helmholtz Zentrums München in lebendes Gewebe: Extrem kurze Laserblitze dringen zentimetertief in den Körper des Zebrafisches ein. Der lebende Organismus reagiert mit schwachen Tönen, die für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar sind. Ein empfindliches Mikrofon zeichnet die Ultraschallsignale zuverlässig auf. In diesem Tonmuster stecken zahlreiche Informationen, die das Team um Prof. Dr. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung am Helmholtz Zentrum München, in dreidimensionale und hoch aufgelöste Bilder aus dem Inneren des Fischkörpers umwandeln kann. „Mit unserer neuen Methode – der multi-spektralen opto-akustischen Tomographie (MSOT) – überwinden wir die Grenzen der Lichtmikroskopie“, sagt Laborleiter Dr. Daniel Razansky. Denn Lichtwellen werden bereits knapp unter der Oberfläche des Objekts stark gestreut, sie erlauben allenfalls Außenansichten.

Die Ultraschallsignale dagegen werden erst tief im lebenden Körper erzeugt und ermöglichen dadurch einen völlig neuen Einblick, sogar in molekulare Prozesse. Mit diesem Vorteil hebt sich die opto-akustische Tomographie von klassischen Durchleuchtungsmethoden ab. „Röntgen und Ultraschall können nur Strukturen sichtbar machen, aber keine biochemischen Reaktionen“, sagt Razansky. Dies haben die Münchener Forscher durch ihre Versuche an Fadenwürmern, Zebrafischen und Mäusen bereits erfolgreich demonstriert. Auf diese Weise konnten sie neuartige 3D-Einblicke in das Innere eines Zebrafisches gewinnen. Sie schickten dafür wenige Nanosekunden kurze Laserblitze auf einen Fisch, dessen Körper fluoreszierende Farbmoleküle enthielt. Die Laserblitze regten die Farbstoffe zum Leuchten an, gleichzeitig aber erwärmten sich diese Moleküle dadurch und dehnten sich dabei ein wenig aus. „Durch die schnelle Expansion der Farbstoffe entsteht eine kleine Druckwelle“, erklärt Razansky. Diese ließ sich als Ultraschallwelle von einem Mikrofon wenige Zentimeter über dem Fischkörper aufzeichnen. Das dreidimensionale Bild hat eine Auflösung von 40 Mikrometern.

Die Umwandlung der Ultraschallsignale in Bilddaten forderte die Forscher besonders heraus. Um aus den Schallwellen einzelne Bildpunkte zu gewinnen, entwickelten sie einen komplexen mathematischen Algorithmus. In zahlreichen Tests lernten sie, wie die weichen und festeren Strukturen im Körper Schallwellen verzerren. Erst danach konnte ein eigens dafür konzipiertes Computerprogramm aus den gemessenen Schalldaten auf unbekannte Strukturen wie die im Zebrafisch zurückschließen. Inzwischen verstehen die Helmholtz-Forscher den Zusammenhang von Schallsignal und Körper immer besser. „Die Methode könnte in Zukunft eine Auflösung von zehn Mikrometern in bis zu fünf Zentimetern Tiefe erreichen“, meint Razansky.

Ntziachristos und Razansky sehen viele Anwendungen in der Humanmedizin, insbesondere da in den letzten Jahren zahlreiche Farbstoffe für den klinischen Gebrauch zugelassen wurden. Zukünftig könnte die Technologie die Untersuchung von Tumoren oder Herzkranzgefäßen im Menschen erleichtern, zum Beispiel bei der Früherkennung von Brustkrebs. Und wenn die molekularen Effekte neuer Krebswirkstoffe über längere Zeit in einem Tier verfolgt würden, könnte dies die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen. Vielleicht könnte die Wirksamkeit von Krebsmedikamenten sogar direkt im Körper eines Patienten beobachtet und beurteilt werden, selbst eine Frühdiagnose von Alzheimer kann sich Razansky vorstellen.

Erste klinische Studien an Patienten mit der MSOT-Methode hält Razansky in etwa zwei Jahren für möglich. Bis dahin werden sie noch zahlreiche Markersubstanzen zusätzlich zu den bereits getesteten Fluoreszenzfarbstoffen auf ihre Eignung überprüfen. Diese könnten über einige Tage im Blutkreislauf zirkulieren und dort helfen, krankhafte Prozesse aufzuspüren. Angedockt an Krebszellen könnten sie biochemische Reaktionen während des Tumorwachstum über die Ultraschallsignale sichtbar machen.

Damit die Methode in Zukunft auch für Ärzte anwendbar ist, konstruierte die Forschergruppe bereits einen Prototyp für eine MSOT-Sonde im Handyformat, die die Laserblitze gezielt auf eine Körperregion fokussieren und die resultierenden Schallwellen auffangen kann. Von dem Potenzial für die biomedizinische Bildgebung zeigte sich sogar das strenge Gutachterkonsortium des Europäischen Forschungsrats (ERC) beeindruckt und verlieh Ntziachristos Ende 2008 den mit zwei Millionen Euro dotierten ERC-Grant. Auch Medizintechnik-Unternehmen sind bereits interessiert, so dass aus den MSOT-Prototypen rasch ein marktfähiges Licht-Schall-Mikroskop für Forschung, Kliniken und Pharmaindustrie entstehen könnte.

Jan Oliver Löfken