Krebszellen im Körper in 3D abbilden

Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben eine neue Methode entwickelt, um Tumorzellen im Körper sichtbar zu machen. Dabei können mithilfe von Ultraschallwellen hoch aufgelöste, dreidimensionale Bilder des Körperinneren erzeugt werden. Das neue Verfahren könnte dazu beitragen, die Entwicklung von Krebszellen im Körper genauer zu erkennen und Krebserkrankungen gezielter zu behandeln. Ihre Ergebnisse publizierten die Forscher jetzt in der Fachzeitschrift „Communication Physics“, die zu den Zeitschriften von „Nature“ gehört.

Um die Mechanismen, mit denen sich Tumoren im Körper ausbreiten, besser zu verstehen, werden bisher oft einzelne Krebszellen im Reagenzglas untersucht. Erst anschließend werden die Erkenntisse in lebenden Organismen überprüft. „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 Jan Laufer von der MLU, einer der Autoren der Studie. Er und seine Kollegen haben sich auf das Gebiet der so genannten Photoakustischen Bildgebung spezialisiert: Hierbei lassen sich mithilfe von Ultraschallwellen, die durch Laserstrahlen erzeugt werden, hoch aufgelöste, dreidimensionale Bilder des Körperinneren erstellen.

„Das Problem ist, dass Tumorzellen transparent sind. Das macht es schwer, Tumoren im Körper mit optischen Verfahren zu untersuchen“, erklärt Laufer. Nun hat die Arbeitsgruppe um Laufer jedoch ein neues Verfahren entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Dafür schleusten die Forscher 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“, erläutert Laufer.

Ausbreitung von Tumorzellen genauer verstehen

Anschließend feuerten die Wissenschaftler mithilfe eines Lasers mit zwei verschiedenen Wellenlängen kurze Lichtimpulse auf das Gewebe im Körper. Dort werden die Lichtimpulse absorbiert und in Ultraschallwellen umgewandelt. Diese Wellen können gemessen und so zwei Bilder vom Körperinneren erstellt werden. Anschließend wird die Differenz der beiden Bilder berechnet, um so ein hochaufgelöstes, dreidimensionales Bild der Tumorzellen zu erstellen, das frei von störendem Hintergrundkontrast ist.

„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“, erklärt Laufer. „Alle anderen Gewebebestandteile, zum Beispiel Blutgefäße, haben diese Eigenschaft nicht – deren Signal bleibt konstant.“

Tumorzellen auf diese Weise zum Leuchten zu bringen, könnte dazu beitragen, die Entwicklung und Ausbreitung von Krebszellen im Körper genauer zu untersuchen und so Krebszellen und ihre Eigenschaften noch besser zu verstehen. Auf diese Weise könnte das neue Verfahren dazu beitragen, Krebserkrankungen gezielter zu behandeln.

Die Entwicklung der Medizinphysiker der MLU könnte sich aber auch auf eine Reihe anderer photoakustischer Untersuchungen anwenden lassen. So eignet sich das neue Verfahren auch dafür, in lebenden Organismen die Funktionsweise zellulärer und genetischer Prozesse zu beobachten.

Quelle:

• Märk, J. et. al. (2018). Dual-wavelength 3D photoacoustic imaging of mammalian cells using a photoswitchable phytochrome reporter protein. Communication Physics 1, Artikel Nr. 3. DOI: 10.1038/s42005-017-0003-2