„Wir lauschen dem Klang des Lichts.“
Seit kurzem gibt es im Exzellenzcluster „Cells in Motion“ (CiM) ein neues Gerät zur fotoakustischen Bildgebung. Prof. Michael Schäfers vom CiM-Koordinatorenteam erklärt im Gespräch mit Christina Heimken, weshalb dieser Prototyp von besonderer Bedeutung ist.
Fotoakustik ist ein Begriff, der Optik und Akustik vereint. Wie funktioniert das Gerät?
Bei der optischen Bildgebung strahlt Laserlicht in das Gewebe hinein und überträgt Energie auf bestimmte Moleküle, beispielsweise auf spezielle Farbstoffe, die wir gezielt in den Organismus eingebracht haben. Diese sogenannten Fluorochrome strahlen daraufhin Licht ab, das wir von außen messen können. Allerdings ist es auf diese Weise nicht möglich, sehr tief in das Gewebe hineinzuschauen, denn dafür wird das Licht zu stark gestreut. Die Fotoakustik funktioniert ähnlich – mit einem entscheidenden Unterschied: Wir nutzen die Tatsache, dass die Fluorochrome durch die Energie des Laserlichts in Schwingungen versetzt werden und Ultraschallwellen erzeugen. Das ist der sogenannte fotoakustische Effekt. Die Schwingungen können wir visualisieren – im Prinzip wie bei einem normalen Ultraschallgerät. Der Vorteil: Mit der Kombination aus Licht und Ultraschall können wir auch tiefer liegende Strukturen sehr präzise sichtbar machen.
Der fotoakustische Effekt wird seit den 1970er Jahren unter anderem zur Untersuchung von Geweben eingesetzt. Was ist an der fotoakustischen Bildgebung neu?
Der Ansatz ist alt. Aber das Neue ist, dass man die Technik nun mit einem Ultraschallgerät gekoppelt hat. Wir können so erstmals „live“ in den lebenden Organismus hineinschauen, indem wir quasi dem Klang des Lichts lauschen.
Im Cluster kommt bereits eine Vielzahl bildgebender Verfahren zum Einsatz. Weshalb benötigen die Forscher ein weiteres bildgebendes Gerät?
Bildgebung ist nicht gleich Bildgebung. Mit der Elektronenmikroskopie beispielsweise können wir winzige Strukturen sehr hoch aufgelöst darstellen, mit Ultraschall kann man Organe sichtbar machen. Mit molekularen Bildgebungsverfahren gelingt es uns, die Funktion und Aktivität von Molekülen im Organismus darzustellen, also zum Beispiel Stoffwechselprozesse. Mit der fotoakustischen Bildgebung können wir beides gleichzeitig – Strukturen und Prozesse im Körper sichtbar machen. Das Schöne: Wir schlagen dabei den Bogen von der Grundlagenforschung zur klinischen Anwendung. Was wir derzeit an der Maus beobachten, werden wir schon bald auch am Menschen sehen.
Welche Disziplinen sind beteiligt und warum?
Momentan arbeitet unter anderem ein amerikanischer Doktorand an dem Gerät. Er hat zwei Abschlüsse: in Biologie und Informatik. Beides ist sehr wichtig – auf der einen Seite kann er beurteilen, was er im Organismus sieht. Auf der anderen Seite ist es sehr aufwendig, die gemessenen Werte zu einem einzigen Bild zusammenzufügen, da kommt die Informatik ins Spiel. Für die fotoakustische Bildgebung benötigen wir aber auch Chemiker. Sie „bauen“ uns die passenden Fluorochrome – oder genauer gesagt, Absorber. Das sind spezielle Fluorochrome, die möglichst wenig Licht abstrahlen, aber umso mehr Ultraschall. Diese interdisziplinäre Konstellation, die wir im Exzellenzcluster „Cells in Motion“ haben, ist übrigens einzigartig – bundesweit, aber auch international. Wir haben somit die optimale Voraussetzung, um die Fotoakustik anzuwenden.
Wofür könnte die Fotoakustik in Zukunft in der Klinik eingesetzt werden?
Ein Beispiel ist der schwarze Hautkrebs. Seine Zellen enthalten natürlicherweise bereits Farbstoffe, die wir mittels Fotoakustik sichtbar machen können, beispielsweise zur Erkennung von Metastasen. Weitere mögliche Einsatzgebiete sind die Schilddrüse oder Blutgefäße.
Was schätzen Sie, wann wird das Gerät in der Klinik stehen?
Unseren Prototypen können wir voraussichtlich schon in wenigen Wochen für erste Probe-Untersuchungen bei Menschen einsetzen. Die nächste Generation der Fotoakustik-Scanner ist voraussichtlich in zwei, drei Jahren für den klinischen Einsatz bereit. Die Handhabung wird deutlich vereinfacht sein.