Optische Bildgebung

Medizin 1

Direktor:
Prof. Dr. med. Markus F. Neurath

Am Ludwig Demling Center beschäftigen wir uns weiterhin mit der präklinischen und klinischen Erforschung neuer optischer Bildgebungsverfahren. Dazu zählen die multispektrale optoakustische Tomographie (MSOT) und die endoskopische Multiphotonenmikroskopie (MPM).

Bei der MSOT handelt es sich um ein Verfahren, welches die spezifische Darstellung endogener Moleküle im Gewebe bis zu einer Tiefe von mehreren Zentimetern und einer Auflösung unter 1 mm durch Nutzung des photoakustischen Effekts ermöglicht. Dabei wird einem Medium oder Gewebe durch Lichtblitze in schneller Folge eine hohe Energie zugeführt. Diese bewirkt wechselnd eine Erwärmung und Abkühlung und folglich Ausdehnung und Kontraktion der Licht-absorbierenden Moleküle. Die dabei entstehenden Schwingungen lassen sich als Ultraschallwellen detektieren und ihrem Ursprungsort zuordnen.

Durch die sequentielle Verwendung verschiedener Wellenlängen können zusätzlich unterschiedliche Moleküle mit einem charakteristischen Absorptionsverhalten, wie z.B. oxygeniertes oder deoxygeniertes Hämoglobin, Melanin oder Lipiden, ohne zusätzliche Färbung dargestellt und auch quantifiziert werden.

Die MSOT erlaubt dementsprechend eine Farbstoff-freie molekulare Bildgebung verschiedener endogener Moleküle im Gewebe und lässt sich u.a. auch als nicht invasives Verfahren ähnlich wie Ultraschall einsetzen. Dies konnten wir bereits in einer ersten Studie zeigen, in der wir den möglichen Einsatz der MSOT zur nicht-invasiven Beurteilung der Krankheitsaktivität bei Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen untersuchten. In dieser Studie beurteilten wir mit der MSOT bei 108 Patienten mit Morbus Crohn den Hämoglobingehalts in der Darmwand erkrankter Darmabschnitte als Zeichen einer akuten Krankheitsaktivität (siehe Abbildung 1). Die Ergebnisse der Studie zeigten eine sehr gute Übereinstimmung der MSOT-Messungen mit der Endoskopie, dem aktuellen Standardverfahren zur Beurteilung der Krankheitsaktivität bei CED- Patienten (Knieling et al., N Engl J Med, 2017). In aktuellen Studien werden diese Untersuchungen weiter vertieft und deren Übertragbarkeit auf weitere Krankheitsbilder überprüft.

Ein weiteres, vielversprechendes Verfahren stellt die Multiphotonenmikroskopie (MPM) dar. Bei dieser Technik werden endogene Fluoreszenzmoleküle gleichzeitig durch zwei Photonen angeregt. Da dazu eine hohe Lichtenergie notwendig ist, welche nur an einem sehr kleinen Punkt entsteht, besitzt die Technik eine sehr hohe räumliche Auflösung. Nach der Anregung emittieren die Fluoreszenmoleküle Licht mit einem charakteristischen Wellenlängenspektrum, welches eine Unterscheidung verschiedener endogenen Fluoreszenzmoleküle (u.a. NADH, Flavine etc.) ermöglicht. Neben der Darstellung der Autofluoreszenz erlaubt die MPM auch die Darstellung nicht-linearer optischer Effekte, z.B. durch Frequenzverdopplung (second harmonic generation, SHG), welche u.a. durch Moleküle wie Kollagen erzeugt werden.

Ähnlich wie die MSOT, ermöglicht die MPM dementsprechend die simultane Darstellung mehrerer endogener Moleküle im Gewebe, allerdings mit einer mikroskopischen Auflösung und einer Eindringtiefe bis ca. 200 µm. Da hierfür keine zusätzliche Färbung notwendig ist, kann die Multiphotonenmikroskopie für eine „Echtzeit“-Histologie eingesetzt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Medizinische Biotechnologie (Direktor: Prof. Dr. O. Friedrich) konnten wir dies an Gewebeproben von Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen belegen (siehe Abbildung 2).

Aufgrund der Möglichkeit mit Hilfe der MPM innerhalb kurzer Zeit ohne zusätzliche Färbung mikroskopische Aufnahmen eines Gewebes anzufertigen würde sich die MPM ähnlich wie die konfokale Mikroskopie sehr gut für eine endoskopische Mikroskopie in vivo eignen und könnte damit schnellere und genauere Diagnosen in der gastroenterologischen Endoskopie ermöglichen. Leider sind bisher Multiphotonen-Endoskope nicht verfügbar.

Aus diesem Grund wurde im Rahmen des durch die Emerging Fields Initiative der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg geförderten Projekts AVENDO Life (Leitung: Prof. Dr. O. Friedrich) ein erster Prototyp eines Multiphotonen-Endomikroskops entwickelt (http://archiv.efi.fau.de/projekte/advendo-life/).

Multispektrale optoakustische Tomographie zur Beurteilung der Krankheitsaktivität bei Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen.
(A + B) Prototyp eines multispektralen optoakustischen Tomographen mit handgeführten Detektor (Hersteller: iThera Medical GmbH). (C) Nicht-invasive Beurteilung des Hämoglobingehalts in der Darmwand als Zeichen einer akuten Entzündung bei einem gesunden Probanden (obere Reihe) und einem Patienten mit aktivem Morbus Crohn (untere Reihe). Es zeigen sich ein deutlich erhöhter Hämoglobin-Gehalt bei einer akuten Entzündung im Rahmen des Morbus-Crohns. B-mode: B-Bild Ultraschall; Hbtotal: Gesamt-Hämoglobin; HbO2: oxygeniertes Hämoglobin; SO2: Sauerstoffsättigung.
Multiphotonmikroskopie zur Farbstoff-freien histologischen Beurteilung humaner Gewebeproben von Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen. (A) Die gleichzeitige Darstellung verschiedener endogener Autofluoreszenzfarbstoffe (z.B. Flavine und NADH) sowie Frequenzverdopplungseffekte (SHG, u.a. durch Kollagen) ermöglichen die mikroskopische Darstellung der Darmschleimhaut. (B) Ähnlich wie die konventionellen Histologie (H&E Färbung, rechte Abbildungen) zeigt die Multiphotonenmikroskopie (linke Abbildungen) charakteristische Merkmale akuter mukosaler Entzündungen, wie z.B. veränderte Kryptenstukturen, bei Gewebeproben von Patienten mit Colitis ulcerosa.
 
 
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Zusammenfassung