Um Krebserkrankungen gezielt behandeln zu können, benötigen Ärzte und Forscher ein noch besseres Verständnis von Krebszellen und ihren Eigenschaften. Häufig werden in der Forschung zunächst einzelne Krebszellen in Reagenzgläsern untersucht, bevor die Erkenntnisse dann in lebenden Organismen überprüft werden.
„Wir wollen die Krebszellen aber direkt im Körperinneren ausspionieren und herausfinden, wie sie sich ausbreiten, wie sie funktionieren und wie sie auf neuartige Therapien reagieren", sagt der Medizinphysiker Prof. Dr. Jan Laufer von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU).
Er hat sich auf das Gebiet der sogenannten Photoakustischen Bildgebung spezialisiert, ein Verfahren, mit dem sich mit Hilfe von durch Laserstrahlen erzeugten Ultraschallwellen hochaufgelöste, dreidimensionale Bilder vom Körperinneren erstellen lassen. „Das Problem ist, dass Tumorzellen transparent sind. Das macht es schwer, Tumoren im Körper mit optischen Verfahren zu untersuchen", erklärt Laufer.
Er hat mit seiner Arbeitsgruppe ein neues Verfahren entwickelt, um dieses Problem zu lösen: Dafür schleusen die Wissenschaftler zunächst ein bestimmtes Gen in das Erbgut der Krebszellen ein. „In den Zellen wird durch das Gen das Phytochrom-Protein produziert, das ursprünglich aus Pflanzen und Bakterien kommt. Dort dient es als Lichtsensor", so Laufer weiter.
Bilder vom Körperinneren erstellen
Aufnahme eines Tumors (grün) mit Hilfe der neuen Methode © Jan LauferIm nächsten Schritt feuern die Forscher kurze Lichtimpulse auf das Gewebe im Körper. Dafür setzen sie einen Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen ein. Im Körperinneren werden die Lichtimpulse absorbiert und in Ultraschallwellen umgewandelt.
Diese Wellen können dann außerhalb des Organismus gemessen und auf Grundlage dieser Daten zwei Bilder vom Körperinneren erstellt werden. „Das Besondere an den Phytochrom-Proteinen ist, dass sie je nach Wellenlänge der Laserstrahlen ihre Struktur und somit auch ihre Absorptionseigenschaften verändern. Dadurch verändert sich die Amplitude der in den Tumorzellen optisch induzierten Schallwellen. Alle anderen Gewebebestandteile, zum Beispiel Blutgefäße, haben diese Eigenschaft nicht, deren Signal bleibt konstant", erklärt Laufer.
Durch Berechnung der Differenz der beiden Bilder wird so ein hochaufgelöstes, dreidimensionales Bild der Tumorzellen erstellt, welches frei von störendem Hintergrundkontrast ist. Die Entwicklung der halleschen Medizinphysiker lässt sich auf eine ganze Reihe von photoakustischen Untersuchungen anwenden: Neben der Krebsforschung eignet sich das Verfahren auch dafür, die innere Funktionsweise von zellulären und auch genetischen Prozessen in lebenden Organismen zu beobachten.
Quelle: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Publikation: J. Märk et. al.; Dual-wavelength 3D photoacoustic imaging of mammalian cells using a photoswitchable phytochrome reporter protein; Communication Physics, 2018; DOI: 10.1038/s42005-017-0003-2
