MORSOM Bild eines drei Wochen alten Zebrafisches. Die Technik erlaubt Organe in einem Millimeter Tiefe sichtbar zu machen. Quelle: Helmholtz Zentrum München/Dr. Murad OmarBiologische Prozesse tief im Gewebe sichtbar zu machen, ist eine große Herausforderung für die... „Die Bildgebung von intakten, nicht durchsichtigen Geweben ist ein wichtiges Ziel von großem biologischen Interesse“, sagt Prof. Dr. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) am Helmholtz Zentrum München und Lehrstuhlinhaber an der Technischen Universität München. Bei der optischen Bildgebung wird das Probenmaterial bestrahlt und mit dem reflektierten oder von der Probe abgegebenen Licht ein Bild erzeugt. Das Verfahren hat seinerzeit die Biologie revolutioniert, sein Einsatz ist jedoch beschränkt auf sehr dünne Proben, da die meisten Gewebe das Licht so stark brechen, dass sich kein Bild mehr erzeugen lässt. Diesen Umstand umgeht das Ntziachristos-Team durch die von ihm entworfenen Geräte (so genannte Mesoskope), die optoakustische Wellen anstatt Licht verwenden. Die neue MORSOM (multi-orientation raster scan optoacoustic mesoscopy) genannte Technologie bestrahlt die Probe mit Laserpulsen. Die Probe nimmt die Energie des Lichts auf und wandelt sie in Hitze um, die zu einer Ausdehnung des bestrahlten Gewebes führt und letztlich Ultraschall-Wellen erzeugt. Entsprechende Sensoren registrieren diese Wellen und erlauben die Umrechnung in ein dreidimensionales Bild. Da Ultraschall vom Gewebe weniger stark abgelenkt wird als Licht, ermöglicht MORSOM hoch aufgelöste Bilder aus Gewebetiefen, die optische Mikroskopie nicht erreichen kann. Studienleiter Ntziachristos dazu: “MORSOM erlaubt es erstmals, Bilder aus lebenden, nicht transparenten Organismen zu erlangen, ohne Gewebe zu entnehmen.“ Momentan kann MORSOM in Tiefen von zwei bis drei Millimetern vordringen, was es beispielsweise ermöglicht, entwicklungsbiologische oder genetische Experimente in Modellorganismen wir Zebrafischen oder Fruchtfliegen nicht invasiv auszuwerten. “Die hohe Auflösung von MORSOM erreichen wir durch Ultra-Breitband-Detektoren für zehn bis 160 MHz“, erklärt Dr. Murad Omar, Wissenschaftler am IBMI. Dieser Frequenzbereich erlaube einen Blick auf Strukturen wie etwa die komplexen Verästelungen von Blutgefäßen, Melanin haltige Bereiche tief in der Haut oder innere Organe von Fischen, die mit Lichtmikroskopie bislang nicht lebend untersucht werden konnten. Dennoch macht MORSOM nach Einschätzung der Wissenschaftler die optische Mikroskopie nicht überflüssig. Im Gegenteil: Das Team um Ntziachristos arbeitet mit der Carl Zeiss AG und der iThera Medical GmbH daran, die optoakustische Methode mit der optischen SPIM (single plane illumination microscopy) Technologie zu vereinen. Das soll es ermöglichen, die Entwicklung von den ersten Stadien aus wenigen Zellen bis zum ganzen Organismus zu verfolgen. „Das wird uns erlauben, molekulare Prozesse der entsprechenden Gewebs- und Organentwicklung zuzuordnen – sowohl im Normalzustand als auch bei Krankheitsmodellen“, so IBMI-Forscher Omar.
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Hintergrund:Den Wissenschaftlern zufolge werden MORSOM und davon abgeleitete Technologien substanzielle Fortschritte bringen, nicht nur für das Verständnis von biologischen Prozessen sondern auch für die Behandlung von Krankheiten. Omar betont: „Durch unsere Beobachtungen an Modellorganismen werden wir in der Lage sein, Krankheiten und ihre Behandlung besser zu verstehen. Unser Ziel ist es dieses Wissen dann auf Patienten zu übertragen.“ Und Ntziachristos ergänzt: „Diese Arbeit ist das Ergebnis des in München größer werdenden Feldes des Bioengineerings, was auf einer schnellere Entdeckung wirksamer Behandlungen für Krebs, Stoffwechselkrankheiten und anderer Volkskrankheiten abzielt.“ Die hier beschriebene Arbeit entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts Tech2See. Das von Prof. Ntziachristos koordinierte Vorhaben verfolgt das Ziel, den ersten Hybrid-Prototypen zu entwerfen, der die optoakustische Mesoskopie mit der SPIM-Technologie kombiniert, um die Grenzen der optischen Mikroskopie zu durchbrechen. Original-Publikation :
Murad Omar et al. (2017), “Optical imaging of post-embryonic zebrafish using multi orientation raster scan optoacoustic mesoscopy”. Light: Science & Applications, doi: 10.1038/lsa.2016.186 Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. Das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) erforscht In-vivo-Bildgebungstechnologien für die Biowissenschaften. Es entwickelt Systeme, Theorien und Methoden zur Bildgebung und Bildrekonstruktion sowie Tiermodelle zur Überprüfung neuer Technologien auf der biologischen, vorklinischen und klinischen Ebene. Ziel ist es, innovative Werkzeuge für das biomedizinische Labor, zur Diagnose und dem Therapiemonitoring von humanen Erkrankungen bereit zu stellen. Die Technische Universität München (TUM) ist mit mehr als 500 Professorinnen und Professoren, rund 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 40.000 Studierenden eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert die TU München von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit einem Campus in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.