Optoakustische Bildgebung – Grundlagen, Technik und Anwendung in der Biomedizinischen Forschung

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Grundlagen:

Die Optoakustik ist ein neues hybrides Bildgebungsverfahren, welches die Vorteile des Ultraschalls mit denen der optischen Bildgebung vereint. Optoakustische Bildgebung benötigt keine ionisierende Strahlung und ist auf Grund des geringen technischen Mehraufwands gegenüber klassischem Ultraschall im Vergleich zu anderen potentiellfür die molekulare Bildgebung geeigneten Verfahren sehr kosteneffizient. Bei diesem neuen Verfahren werden optische Gewebeeigenschaften einem akustischen Detektionsmechanismus zugänglich gemacht. Diese Art der Bildgebung basiert auf dem thermoelastischen Effekt. Bei Bestrahlung mit kurzen Laserpulsen im Nanosekundenbereich entstehen Druckwellen in biologischem Gewebe. Diese Druckwellen breiten sich im Gewebe aus und können mit Ultraschallwandlern auf der Gewebeoberfläche aufgenommen werden. Die Amplitude der Druckwellen ist dabei proportional zu dem lokalen optischen Absorptionskoeffizienten. Durch adäquate Signalverarbeitung und Bildrekonstruktionsalgorithmen kann aus diesen Signalen ein Bild errechnet werden, welches die räumlichen Variationen der optischen Absorptionskoeffizienten darstellt. Je nach verwendetem Ultraschallwandler können zwei- oder dreidimensionale Ansichten generiert werden. Die Optoakustik bietet gegenüber klassischem Ultraschall den Vorteil, dass sie zur molekularen Bildgebung genutzt werden kann. Während dies bei Ultraschall zwar prinzipiell auch möglich ist, sind die Anwendungen in der Praxis aufgrund der Größe der Kontrastmittel und dem daraus resultierenden Biodistributionsverhalten, beschränkt. Um die Optoakustik für die molekulare Bildgebung zu nutzen, werden demgegenüber nanoskalige Kontrastmittel (Nanopartikel, Farbstoffe) eingesetzt, welche mit definierten Liganden funktionalisiert werden können. Diese Liganden binden selektiv an bestimmte Zelltypen und verstärken dadurch selektiv die optische Absorption in Gewebe. Durch die Wahl eines geeigneten Kontrastmittels können somit optoakustische Signale von einem definierten Gewebetyp gegenüber umliegendem Gewebe mit abweichender molekularer Signatur signifikant verstärkt werden. Nach Auswertung der aufgenommenen Signale kann das Vorhandensein definierter molekularer Signaturen im Gewebe bildlich dargestellt werden.

Technik:

Zur technischen Umsetzung der optoakustischen Bildgebung ist neben einer angepassten Ultraschallhardware mit Kanaldatenzugriff und Triggerung auch ein gepulster Laser zur Erzeugung von breitbandigen Schalltransienten im Gewebe erforderlich. Am IBMT wurden verschiedene optoakustische Bildgebungssysteme für mikroskopische und makroskopische Anwendungen entwickelt. Im mikroskopischen Bereich steht sowohl ein optoakustisches Mikroskop mit subzellularer Auflösung als auch eine hochauflösende Plattform für den Einsatz in der Dermatologie und der Kleintierbildgebung zur Verfügung. Letztere basiert auf einem einelementigen Wandler, welcher zur dreidimensionalen Bildgebung verfahren werden kann. Der Aufbau ist in einem Handstück gekapselt und wurde im Rahmen des EU-Projektes SKINSPECTION in einer klinischen Umgebung eingesetzt. Zur makroskopischen optoakustischen Bildgebung mit lateralen Auflösungen im Bereich zwischen 100 und 500µm steht eine modifizierte Version der Geräteklasse DiPhAS des Fraunhofer IBMT zur Verfügung. Mit diesem digitalen Ultraschallbeamformer können optoakustischen Querschnittsbilder in Echtzeit gewonnen werden.

Schlussfolgerung/Summary:

Anwendung in der Biomedizinischen Forschung Die am IBMT entwickelten optoakustischen Bildgebungsplattformen wurden bisher sowohl in der präklinischen Forschung als auch im klinischen Kontext eingesetzt. In ersten Proof-of-concept Experimenten konnte die Eignung der Technologie zur molekularen Bildgebung nachgewiesen werden. Dabei wurde eine rheumatoide Entzündung im Mausmodell durch die ortsaufgelöste Detektion von Nanopartikeln, welche mit einem gegen TNF-Alpha gerichteten Antikörper funktionalisiert waren, mittels optoakustischer Bildgebung nachgewiesen. Solche Nanopartikel verstärken lokal die optische Absorption und somit den Kontrast in optoakustischen Bildern. In ersten Experimenten konnte eine Kontrasterhöhung von 10 dB nach Injektion von antikörper-funktionalisierten Nanopartikeln im Vergleich zum Kontrollexperiment nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde die Optoakustik zur Darstellung der subkutanen Vaskularisierung eingesetzt. Kleinste Gefäße können mittels optoakustischer Technik mit wesentlich höherer Auflösung als mit Doppler-Ultraschall dargestellt werden, da die Signale und der Kontrast zum umliegenden Gewebe rein von den optischen Eigenschaften und nicht von dem Blutfluss abhängen. Da sich die optischen Eigenschaften von Blut und anderen Gewebetypen im relevanten Spektralbereich zum Teil um mehrere Größenordnungen unterscheiden, können Gefäße mit sehr hohem Kontrast dargestellt werden. Darüber hinaus wurden neben den Proof-of-Concept Versuchen zur optoakustischen molekularen Bildgebung und der in-vivo Abbildung von subkutaner Mikrovaskularisierung auch sehr gute erste Ergebnisse zur molekularen Optoakustik auf der Einzelzellebene erzielt.

Optoakustik - Ultraschallsystem - molekulare Bildgebung - nanoskalige Kontrastmittel