Forschung & Entwicklung

Multimodale Bildgebung – Auf der chemischen Spur von Krankheitsentstehungen

16.08.2010

Eine detaillierte Kenntnis der Struktur und der chemischen Signatur pathogener Zellen und Gewebe ist notwendig, um in der modernen, personalisierten Medizin möglichst schon vor dem Auftreten klinischer Symptome effektive Therapieansätze entwickeln zu können.

Mit der Erfindung des Lichtmikroskops im 19. Jahrhundert konnten erstmalig in der Geschichte auch kleinste zelluläre Substrukturen lokalisiert und deren wechselseitige Anordnung während verschiedenster Lebensprozesse z.B. der Zellteilung oder des Zellwachstums bestimmt werden. Heute steht die Wissenschaft vor der Herausforderung, nicht nur die Struktur, die Morphologie, von Zellen und Geweben zu untersuchen, sondern den Informationsgehalt einer Probe gerade auch über deren chemisch-morphologische Zusammensetzung zu bestimmen. Dies ist insbesondere von großer Bedeutung, da Änderungen der chemischen Zusammensetzung von Geweben oftmals deutlich vor der Ausbildung klinischer Symptome erfolgen.
Die multimodale Bildgebung kombiniert dafür mikroskopische Bilder, die unter Ausnutzung verschiedener Kontrastmechanismen gewonnen werden. Neben Lichtstreuung und Absorption kommen dabei die lineare und nichtlineare Raman Streuung insbesondere CARS (kohärente anti-Stokessche Raman Streuung), die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG – second harmonic generation) sowie Einphotonen- und Zweiphotonenfluoreszenz zum Einsatz. Diese Verfahren nutzen unterschiedliche Kontrastmechanismen aus, um den Bildkontrast zu erzeugen: Während Lichtstreuung und Absorption Informationen über die lokale Variation des linearen Brechungsindex in der Probe liefern, ist die Erzeugung der zweiten Harmonischen von der Anwesenheit von Proteinstrukturen wie Kollagen im Gewebe abhängig, die lokal die Inversionssymmetrie der Probe brechen. Mittels spektral aufgelöster Fluoreszenz kann die räumliche Verteilung von Fluorophoren in der Probe sichtbar gemacht werden. Schon diese Technik erlaubt eine gewisse chemische Sensitivität, da einzelne Chromophore bezüglich ihrer Fluoreszenzanregungs- und Fluoreszenzspektren oder auch ihrer Lebensdauer unterschieden werden können. Allerdings sind typische Fluoreszenzspektren spektral sehr breit, so dass nur etwa ein Dutzend Fluorophore in der Größenordnung unterschieden werden können. Die Raman basierte Mikroskopie, basierend auf spontaner oder kohärenter Raman Streuung, nutzt für einen hohen Bildkontrast die molekülspezifische molekulare Schwingungen von Analyten aus. Da die spektrale Breite von Raman-Banden typischerweise zwei Größenordnungen kleiner ist als die von Fluoreszenzbanden und das Raman-Spektrum einen Fingerabdruck des Moleküls darstellt, können auf diese Weise schon kleine Änderungen der chemischen Zusammensetzung einer Probe mikrospektroskopisch bestimmt werden.
Das enorme Potential dieses multidimensionalen Ansatzes zur chemisch-sensitiven Mikroskopie ist in den Bildern 1 und 2 am Beispiel einer Hautkrebsprobe illustriert. Die Topologie der Probe kann in den Bildern, die mittels elastischer Lichtstreuung aufgenommen wurden, gut sichtbar gemacht werden. Das CARS-Bild zeigt große Lipideinlagerungen, die möglicherweise als Nährstoffreservoir für den schnell wachsenden Tumor dienen, während das SHG-Bild die Kollagenstrukturen aufzeigt, die die einzelnen Bereiche des Tumors umschließen. Die Zweiphotonenfluoreszenz zeigt die Anwesenheit von Autofluorophoren wie z.B. Coporphyrinen, während das Einphotonenbild vom Schnitt herrührende Blutreste aufleuchten lässt.
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Photonik 4/2010

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