Alter Farbstoff & neue Technologie für schärfere Bilder aus dem Körperinneren

Ein Vergleich von Blutgefäßen aufgenommen mit SWIR (rechts) und Nahinfrarot-Bildgebung (links). Beide Bilder beruhen auf einem fluoreszierenden Farbstoff, der ICG genannt wird, aber die Gefäße können mit kurzwelliger Fluoreszenzbildgebung klarer gesehen werden. © Oliver Bruns/Massachusetts Institute of Technology
Seit kurzem forscht Dr. Oliver Bruns am neuen Helmholtz Pioneer Campus, wo er Vorgänge im lebenden... Die Bildgebung mit Fluoreszenzfarbstoffen wird bei Patienten häufig verwendet, um Gewebe sichtbar zu machen. Ärzte können so beispielsweise eine Makuladegeneration im Augenhintergrund nachweisen oder im Rahmen der rekonstruktiven Chirurgie überprüfen, ob Gefäße richtig verbunden sind. Aktuell verwendet man dabei den als Nahinfrarot bekannten Teil des Lichtspektrums zwischen 700 und 900 Nanometern Wellenlänge. Das menschliche Auge kann diesen Bereich nicht erfassen, daher wird ein Farbstoff verabreicht, der bei dieser Wellenlänge fluoresziert. Das entsprechende Signal fängt eine Kamera ein. Oliver Bruns und sein Team brechen aus diesem Schema jedoch aus und konzentrieren sich auf Wellenlängen größer 1.000 Nanometer. Dieser Bereich wird kurzwelliges Infrarot, oder SWIR (englisch: short-wave infrared) genannt. „SWIR bietet einen besseren Kontrast und schärfere Bilder als herkömmliche Methoden“, erklärt Oliver Bruns, Neuzugang am Helmholtz Pioneer Campus. Denn: „Licht mit kürzeren Wellenlängen tendiert dazu, stärker zu streuen, sodass die Strukturen scheinbar in einer Art Nebel liegen.“

Raus aus dem Nebel

Allerdings erschwerte bis dato ein Problem den Weg der SWIR-Technologie in deren Anwendung: Es lagen keine Fluoreszenzfarbstoffe vor, die von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA zugelassen sind. Bruns und seine Kollegen Jessica Carr und Daniel Franke aus der Gruppe von Professor Moungi Bawendi (MIT) konnten dieses Hindernis aber nun überwinden: Sie zeigten, dass das bereits 1959 von der FDA zugelassene Indocyaningrün (ICG) nicht nur im Nahinfrarot- sondern auch im Kurzwelleninfrarot-Bereich funktioniert. „Um ehrlich zu sein, gelang uns die Entdeckung relativ zufällig“, so Letztautor Bruns mit einem Schmunzeln. „Ursprünglich wollten wir ICG im Rahmen eines Kontrollexperiments für ein anderes Paper verwenden.“ Doch anders als angenommen erzeugte das Molekül ein starkes Signal auch jenseits seines ursprünglichen Wirkungsbereichs bei 800 Nanometern. „Scheinbar sind wir die ersten, die sich das Spektrum bei größeren Wellenlängen genauer angesehen haben“, sagt Bruns. Wird ICG in den Körper injiziert, bewegt es sich durch den Blutstrom und ist somit beispielsweise ideal für die Angiographie geeignet, also die Visualisierung von Blut, das durch Gefäße fließt. Die Forscher fanden zudem heraus, dass ICG schnell helle Signale erzeugt, was wichtig ist, um Bewegung zu erfassen. Wäre das Signal hingegen zu schwach, würde die Bildaufnahme verlangsamt und Bewegungen wie Blutfluss oder Herzschläge wären nicht darstellbar. Künftig, so hoffen die Autoren, wird Klinikerinnen und Klinikern mit ICG also ein Farbstoff für die SWIR-Bildgebung zur Verfügung stehen. In Kollaborationen mit anderen Labors sollen zudem weitere Farbstoffe entwickelt werden, die ICG ähnlich sind und möglicherweise noch besser funktionieren.

Weitere Informationen Hier geht es zum Forscherportrait “Von der Weitwinkelperspektive zur Detailansicht“ über Oliver Bruns. Hintergrund:
Auch in Europa gab es bislang keinen geeigneten SWIR Farbstoff und auch hier ist ICG bereits zugelassen. Kurzwelliges Infrarot kann auch tiefer in Geweben Bilder generieren, so die Forscher. In der neuen Studie konnten sie mit einem regulären Fluoreszenzmikroskop mehrere hundert Mikrometer in das Gewebe sehen. Normalerweise kann diese Tiefe nur mit der Zwei-Photonen-Mikroskopie erreicht werden, einer deutlich komplizierteren und teureren Art der Bildgebung. Um Kurzwellen-Infrarot-Bildgebung durchzuführen, müssten Forschungslabors und Krankenhäuser von den Siliziumkameras, die jetzt für die NIR-Bildgebung verwendet werden, zu einer Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) -Kamera wechseln. Bis vor kurzem waren diese Kameras unerschwinglich teuer, aber die Preise sind in den letzten Jahren gesunken. Original-Publikation:
Carr JA. Et al. (2018): Shortwave infrared fluorescence imaging with the clinically approved near-infrared dye indocyanine green. Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1718917115