München – Am Helmholtz-Zentrum München und an der Technischen Universität München hat das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung unter Leitung von Professor Vasilis Ntziachristos ein neues Verfahren zur optimierten Darstellung fluoreszenz-tomographischen Darstellung von Tumoren mit Hilfe von early arriving photons entwickelt. Diese Photonen in Kombination mit einem 360-Grad-Detektor liefern – verglichen mit einer kontinuierlichen Bestrahlung – deutlich schärfere und aussagekräftigere Bilder der untersuchten Objekte.
Fluoreszierende Moleküle sind Substanzen, die zur Emission von Licht angeregt werden können. Diese erweisen sich seit vielen Jahren sowohl in der biologischen Forschung als auch in medizinischer Diagnostik als äußerst nützliche Hilfsmittel. Mittels Fluoreszenz lassen sich zum Beispiel die Regulation und Expression von Genen untersuchen, Proteine in Zellen und Geweben lokalisieren, Stoffwechselprozesse verfolgen und die Dynamik von Zellen analysieren. Eine besondere Bedeutung erhält die Fluoreszenzbildgebung in Verbindung mit neuartigen tomografischen Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung von Objekten in lebenden Organismen.
Da in Geweben Photonen ab einer Eindringtiefe von nur wenigen hundert Mikrometern stark durch Zellmembranen und Organellen gestreut werden, ist die Qualität der Bilder von Natur aus eingeschränkt. Daher entstehen nur relative unscharfe Bilder.
In der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences beschreiben Prof. Ntziachristos und sein Team zusammen mit Kollegen der Harvard Medical School und des Massachusetts General Hospital in Boston, USA, den Einsatz von so genannten early arriving photons in tomographischen Verfahren. Diese Photonen sind die ersten, die nach einer Bestrahlung von Gewebe mit ultrakurzen Photonen-Impulsen am Detektor ankommen. Im Vergleich zu späteren ankommenden Photonen werden sie verhältnismäßig wenig gestreut und liefern in Kombination mit einem 360-Grad-Detektor – verglichen mit einer kontinuierlichen Bestrahlung – deutlich schärfere und aussagekräftigere Bilder der untersuchten Objekte.
Die Wissenschaftler untersuchten mit dieser “Early Photon Tomographie (EPT)” genannten Methode Lungentumore in lebenden Mäusen. Dazu wird den Tieren eine Substanz injiziert, die normalerweise nicht fluoresziert, jedoch nach Kontakt mit bestimmten Cystein-Proteasen, wie zum Beispiel Cathepsinen, fluoreszierende Eigenschaften bekommt. Lungentumore weisen eine erhöhte Menge dieser Proteasen auf und erlauben daher eine Fluoreszenz-Darstellung des Tumorgewebes.
Vergleichsuntersuchungen mit der herkömmlichen Röntgen-Computertomografie zeigten, dass die EPT nicht nur eine sehr sensitive Methode zur Darstellung von Lungentumoren in lebenden Organismen ist, sondern zusätzlich biochemische Veränderungen in benachbarten Gewebearealen darstellen kann, die durch die Tumorerkrankung entstanden sind und die durch konventionelle Röntgen-Tomografie nicht erfasst werden können.
Die “Early arriving photons” liefern typischerweise schwächere Signale, dennoch konnten die Autoren zeigen, dass aufgrund einer Weitfeld-Implementierung die EPT nur eine sehr geringe Abschwächung der durchschnittlichen Signalstärke aufweist. Die Methode ist derzeit zwar nur für kleine Tiere anwendbar. Die Übertragung auf größere Organismen und Menschen ist aufgrund technischer Weiterentwicklung nach Meinung der Wissenschaftler durchaus möglich.
Veröffentlichung:
Niedre, M.J., de Kleine, R.H., Aikawa, E., Kirsch, D.G., Weissleder, R., Ntziachristos, V. (2008): Early photon tomography allows fluorescence detection of lung carcinomas and disease progression in mice in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences; Published online before print November 17, 2008, doi: 10.1073/pnas.0804798105
Ansprechpartner: Prof. Dr. Vasilis Ntziachristos Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) Ingolstädter Landstraße 1 85764 Neuherberg Tel.: 089-3187-3852 E-Mail: v.ntziachristos@helmholtz-muenchen.de
Technische Universität München Lehrstuhl für Biologische Bildgebung Ismaninger Str. 22 81675 München Tel.: 089-4140-6747 E-Mail: v.ntziachristos@tum.de