"Hörbares" Licht erweitert die Grenzen der Mikroskopie

1. Juli 2009, 16:56
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Münchner Forscher schaffen mit einer Kombination aus Laserblitzen und Ultraschall detailgenaue 3D-Bilder lebender Organismen

Dass Gewebe lichtdurchlässig ist, weiß jeder, der seine Wangen schon einmal mit einer Taschenlampe zum Glühen brachte. Die Lichtmikroskopie macht sich diese Eigenschaft zunutze und verhilft zu detaillierten Einsichten; Wissenschafter können damit feststellen, ob Gewebe krankhaft verändert ist oder wie biologische Prozesse in Zell-Inneren ablaufen. Allerdings stießen die Forscher mit dieser Methode bislang rasch an ihre Grenzen: maximal einen Millimeter stark durften die Gewebeschnitte sein, um noch relevante Details ausmachen zu können. In dickeren Schichten wird das heraustretende Licht so diffus, dass sich keine Einzelheiten mehr erkennen lassen.

Forscher des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München konnten eine neue Methode entwickeln, die es nun ermöglicht Proteine mehrere Zentimeter tief in lebendem Gewebe sichtbar zu machen. Um in diese für die Lichtmikroskopie neuen Dimensionen vorzustoßen, setzten sie auf fluoreszierende Proteine und Ultraschall: Sie machten gleichsam das Licht hörbar. Konkret lässt sich damit beobachten, welche Gene in Geweben von Fliegenlarven und Fischen aktiv sind. Zukünftig könnte die Technologie die Untersuchung von Tumoren oder Herzkranzgefäßen im Menschen erleichtern. Die Münchner Wissenschafter stellten ihre innovative Bildgebungstechnik im Juni in der Zeitschrift Nature Photonics vor.

Betäubt statt getötet

Bisher war es notwendig, Tiere in verschiedenen Entwicklungsstadien zu töten und Gewebe-Dünnschnitte miteinander zu vergleichen, um Entwicklungen von Organen oder das Fortschreiten von Krankheiten verfolgen zu können. Mit der neuen Methode konnte das Forscherteam rund um Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für biologische und medizinische Bildgebung des Helmholtz Zentrum München und Professor für biologische Bildgebung an der TU München, dreidimensionale Bilder eines sechs Millimeter dicken, erwachsenen Zebrafischs erzeugen. Für diese Prozedur wurde der Fisch nur betäubt.

Die Wissenschafter bestrahlen den Fisch von verschiedenen Seiten mit Laserblitzen, die im Inneren des Fischkörpers auf Fluoreszenzfarbstoffe treffen - die Farbmoleküle wurden dem Fisch gentechnisch angezüchtet. Wenn die Farbstoffe unter den Lichtblitzen aufleuchten, erwärmt sich das umliegende Gewebe und lehnt sich ein wenig aus. Da dies extrem schnell passiert, entsteht eine kleine Druckwelle. Ein kurzer Laserimpuls erzeugt so eine Art Ultraschall-Echo, das die Forscher mit einem Ultraschall-Mikrophon einfangen.

Bild aus Schallwellenmuster

Um daraus ein Bild zu erzeugen, bedarf es allerdings spezieller mathematischer Formeln. Ein Computer rechnet aus dem Schallwellenmuster, das durch Schuppen, Muskeln, Gräten und Eingeweide des Fischs in jeweils unterschiedlicher Weise verzerrt wird, eine dreidimensionale Darstellung. Das Ergebnis der "Multi-spektralen opto-akustischen Tomographie" (MSOT) ist ein Bild mit einer Auflösung von 40 Mikrometern.

Ntziachristos ist überzeugt, dass die neu entwickelte Technik in Zukunft eine große Rolle spielen wird: "MSOT bietet ein enormes Potenzial für die biomedizinische Forschung, die Entwicklung von Medikamenten und die medizinische Versorgung. Weil MSOT die Bildgebung in Gewebetiefen von mehreren Millimetern bis Zentimetern erlaubt, kann diese Technologie sich zum Standard für viele Arten der Bildgebung molekularer Prozesse in Geweben entwickeln."

Methode mit Zukunft

Auch Daniel Razansky, Laborleiter am Institut für Biologische Bildgebung, sieht in dieser Technik eine große Chance: "Das eröffnet der Forschung eine neue Dimension: Erstmals können Biologen die Entwicklung von Organen, Zellfunktionen und Aktivitäten von Genen durch mehrere Millimeter Gewebe hindurch verfolgen." Die große Vielfalt bereits erhältlicher Fluorochromfarbstoffe würde die Untersuchung von biologischen Prozessen bei vielen lebenden Organismen möglich machen, selbst beim Mensch könnte diese Methode angewendet werden. Auch die pharmazeutische Forschung könne damit deutlich beschleunigt werden, wenn etwa die molekularen Effekte neuer Krebswirkstoffe über längere Zeit in einem Tier verfolgt würden. (tberg, red/ derStandard.at, 1. Juli 2009)

  • Mit Hilfe der Multi-spektralen opto-akustischen Tomographie wird die rot fluoreszierende Wirbelsäule im Inneren eines lebenden Fischs sichtbar (Montage).
    foto: helmholtz zentrum münchen / tu münchen

    Mit Hilfe der Multi-spektralen opto-akustischen Tomographie wird die rot fluoreszierende Wirbelsäule im Inneren eines lebenden Fischs sichtbar (Montage).

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