Nanotechnologie verfeinert molekulare Bildgebung bei Geweben
Medizinische Bildgebungstechnologien wie Ultraschall und Magnetresonanztomografie haben die Diagnostik verändert, aber wenn es darum geht, einzelne Zellen tief im Gewebe sichtbar werden zu lassen, bieten sie nicht die gewünschte Auflösung. Ein Grund dafür ist das „Rauschen“ des Signals, das von benachbarten Zellen innerhalb einer Probe erzeugt wird, die im Wesentlichen die gleiche Signalintensität aufweisen. Um dieses Problem zu lösen, hat die Wissenschaft Kontrastmittel entwickelt, die bestimmte Gewebebereiche markieren. Selbst dann gestaltet es sich jedoch schwierig, dass von einzelnen Zellen stammende Signale innerhalb einer belebten biologischen Umgebung auffallen.
Ein schaltbares Kontrastmittel
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SWIMMOT(öffnet in neuem Fenster) wurde nun ein neuartiges Kontrastmittel entwickelt, das während der optischen Bildgebung aktiv „ein- und ausgeschaltet“ werden kann, um das Hintergrundrauschen zu eliminieren. „Bei der Arbeit im Zuge von SWIMMOT sind wir noch einen Schritt weiter gegangen und entwickelten ein Kontrastmittel, das bei Bedarf ein- und ausschaltbar ist“, berichtet Projektkoordinator Stefan Schrittwieser. „Wird das AUS-Bild vom EIN-Bild subtrahiert, bleibt ein reines Signal des Kontrastmittels übrig, ganz ohne Störungen durch das umgebende Gewebe.“ Kernstück dieser Innovation ist ein speziell technisch entwickeltes Nanopartikel: ein Kobalt-Gold-Nanostäbchen(öffnet in neuem Fenster), das von einem biokompatiblen Polymer umhüllt ist, das mit einem Antikörper markiert ist, um auf bestimmte Zellen anzusprechen. Diese Nanostäbchen reagieren empfindlich auf Magnetfelder, die ihre Ausrichtung steuern. Sind sie parallel zu einer polarisierten Lichtquelle ausgerichtet, absorbieren und streuen sie das Licht, wobei ein sichtbares Signal erzeugt wird. Wenn sie jedoch senkrecht ausgerichtet sind, werden sie für das bildgebende System praktisch unsichtbar. Dieses umschaltbare Verhalten gestattet es den Forschenden, zwei Bilder aufzunehmen: eines mit Signal und eines ohne und diese digital voneinander zu subtrahieren, wodurch der Hintergrund entfernt wird.
„In-vivo“-Validierung
Das Kontrastmittel wurde sowohl „in vitro“ in Zellkulturen als auch „in vivo“ in Zebrafischmodellen erprobt, wobei bei den verwendeten Konzentrationen keine Toxizität beobachtet wurde. Den Tieren wurden Nanostäbchen injiziert, und die Forschenden nahmen paarweise Bilder auf, die Bereiche der Kontrastmittelanreicherung zeigen, die sonst durch das umgebende Gewebe verdeckt würden. „Die wichtigste Errungenschaft bestand in dem Nachweis, dass dieses Abbildungsprinzip innerhalb eines lebenden Organismus funktioniert“, sagt Schrittwieser. „Alle fünf Projektpartner haben mit ihrem jeweiligen Fachwissen zu diesem Meilenstein beigetragen“, fügt er hinzu.
Eine Plattform – zwei Modalitäten
Die Vorgehensweise von SWIMMOT zeichnet sich außerdem durch die Integration von zwei einander ergänzenden Bildgebungstechnologien aus: photoakustische Bildgebung(öffnet in neuem Fenster) und optische Kohärenztomografie(öffnet in neuem Fenster). Beide haben eine hochauflösende, in die Tiefe gehende Visualisierung des Gewebes zu bieten, beruhen aber auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Im SWIMMOT-System werden beide Modalitäten durch magnetische Steuereinheiten verstärkt, die die Kontrastumschaltung während des gesamten Bildgebungsprozesses synchronisieren. Dieser multimodale Ansatz verbessert sowohl die Tiefe als auch die Präzision der zellulären Bildgebung. Daher eignet es sich für Anwendungen wie etwa in der Diabetesforschung, wo die Visualisierung von Zell-Biomarkern erwünscht ist.
Zukunftsziele
Die SWIMMOT-Technologie ist zwar noch nicht für den klinischen Einsatz bereit, aber die Aussichten erscheinen vielversprechend. Die genutzten bildgebenden Verfahren sind bereits in Krankenhäusern im Einsatz, und die beteiligten Magnetfelder sind gering und gelten als sicher. Die größten Herausforderungen bleiben die Maßstabserweiterung und die Gewährleistung der Biokompatibilität des Kontrastmittels bei langfristiger Anwendung. Zu diesem Zweck ist das SWIMMOT-Team bereits eine Partnerschaft mit einem europäischen Unternehmen für photoakustische Bildgebung eingegangen, um die Entwicklung fortzusetzen. „Die Anwendung der Technologie in der Grundlagenforschung stellt das realistischste Szenario für die nahe Zukunft dar“, endet Schrittwieser.
