Lokalisationsmikroskopie mit Super-Resolution-Ultraschall – bereit für den Einsatz in der klinischen Praxis?

Der Super-Resolution-Ultraschall (SRUS) hat durch die Lokalisierung und Nachverfolgung von Kontrastmitteln bereits vor einem Jahrzehnt seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, die Lokalisation einzelner Mikrobläschen in vivo im Subwellenbereich darzustellen [1] [2]. Diese Technik ist heute allgemein als Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie (ULM) bekannt.

Ultraschall stößt – wie alle wellenbasierten Bildgebungsverfahren – an eine Grenze: Durch die Beugung der gesendeten und empfangenen Wellen sind Punktquellen nicht mehr voneinander zu unterscheiden, wenn sie näher als die halbe gesendete Wellenlänge beieinander liegen. Darüber hinaus führt die Interferenz von Streuschall zu akustischen Speckles. Ähnlich wie bei der optischen Super-Resolution-Bildgebung, die spärlich verteilte Fluoreszenz-Moleküle nutzt, um die erforderlichen individuellen Signalquellen bereitzustellen, wurden daher für die ULM Ultraschall-Kontrastmittel vorgeschlagen. Die Auflösung des Bildgebungssystems entspricht somit nahezu der Größe der Mikrobläschen und Kapillaren. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Mikrobläschen keine abzubildenden Strukturen sind, sondern als Sonden dienen, die die jeweilige Struktur hervorheben. Mit diesen Methoden lassen sich Gefäßstrukturen unterhalb der Beugungsgrenze von einer halben Wellenlänge auflösen, wobei typische Auflösungen im Bereich von bis zu einem Zehntel der Wellenlänge erreicht werden.

Das Verfahren des Super-Resolution-Ultraschalls erfordert die Einführung eines Kontrastmittels in den Körper. Ähnlich wie beim optischen Pendant muss auch hier eine Bildsequenz aufgenommen werden. Ein entscheidendes Prinzip der Lokalisationsmikroskopie besteht darin, dass sich durch die Begrenzung der Anzahl der in jedem Bild erfassten Quellen die Reaktionen der einzelnen Wirkstoffe nicht gegenseitig stören. Unter dieser Einschränkung kann die Position der zugrunde liegenden Streukörper, in diesem Fall Mikrobläschen, mit einer Präzision geschätzt werden, die weit über der beugungsbegrenzten Auflösung des Systems liegt. Die Ultraschall-Bildgebung in Super-Resolution hat eine Reihe technischer Fortschritte erfahren [3] [4] [5] und kann eine Auflösung von bis zu ~10 Mikrometern erreichen. Einer der geschwindigkeitsbegrenzenden Faktoren ist die Gewebe-Bewegung. Um dies zu berücksichtigen, wurden verschiedene Techniken eingesetzt, wie beispielsweise die Phasenkorrelation starrer Gewebe-Bewegungen [6] und die Implementierung einer besseren Korrektur nicht starrer Bewegungen, die komplexe Bewegungen innerhalb des Bildes berücksichtigt [7].

Jüngste Fortschritte ermöglichen nun eine 3D-Superauflösung, mit der die Mikrovaskulatur eines Volumens oder sogar des gesamten Organs innerhalb eines Mikrobläschen-Bolus dargestellt werden kann [8] [9] [10] [11] [12].

Die ULM ermöglicht neuartige quantitative Messungen der mikrovaskulären Morphologie und Funktion, wie beispielsweise das relative Blutvolumen, die Gefäßgröße, die Fließgeschwindigkeitsverteilung, die Gefäßdichte, die Gefäß-Verzweigung und -Tortuosität – um nur einige funktionelle Parameter zu nennen –, die nun genauer gemessen werden können.

Die ULM ist daher von potenziellem Interesse für Pathologien und Veränderungen, die mit der Morphologie oder Physiologie der Mikrovaskulatur zusammenhängen [13]. Diese reichen von Pathologien im Zusammenhang mit der Angiogenese bei Neoplasien oder Entzündungen, bis hin zu Erkrankungen, die eine Veränderung des mikrovaskulären Flusses aufweisen. Die Charakterisierung von Neoplasien, wobei Brustkrebs ein gutes Modell für solche Technologien ist [14], sowie die Bereitstellung von Parametern, die für die Überwachung des Tumor-Ansprechens auf die Behandlung nützlich sind [15], sind klinische Bereiche, in denen die ULM herausragende Leistungen erbringen könnte.

Interesse besteht auch an der Darstellung von Veränderungen der Mikrovaskulatur in metastasierten Lymphknoten, da bekannt ist, dass sich die Mikrovaskulatur mit der metastatischen Infiltration verändert [16] [17].

Die ULM-Techniken haben sich auch bei der Darstellung der Mikrovaskulatur von Gehirn [2], Herz [18], Nieren [19] und Muskeln [7] bewährt, vor allem in Tiermodellen, in denen derzeit in Humanstudien die Krankheitsprozesse dieser Organe untersucht werden und deren Übertragung in die klinische Routinepraxis noch aussteht [13]. Die Mikrovaskulatur verändert sich auch bei chronischen Leber-Erkrankungen, was mithilfe der Mikrofluss-Bildgebungstechnologie gezeigt wurde [20]. Die ULM könnte jedoch eine nicht invasive und genauere Quantifizierung dieser Veränderungen ermöglichen, was in Verbindung mit Messungen der Lebersteifigkeit mittels der Shearwave-Elastografie-Technologien zu einer verbesserten Charakterisierung des Fibrose- und Entzündungsgrads führt.

Eine noch verbleibende Limitation, die den klinischen Einsatz derzeit behindert, sind die relativ langen Erfassungszeiten von bis zu 15 Minuten sowie der Nachbearbeitungsaufwand zur Gewinnung nützlicher Funktionsdaten. Diese werden jedoch weiter verbessert und nun in klinische Scanner integriert, die diese Parameter angeblich innerhalb weniger Minuten nach der Erfassung liefern können, obwohl ihre Genauigkeit und Validität noch nicht geklärt sind.

Es wurden auch andere Techniken vorgeschlagen, die Nano-Tröpfchen anstelle von Mikrobläschen verwenden, um eine schnellere und selektivere hochauflösende Bildgebung zu erreichen [21] [22]. Zudem wurde untersucht, ob die gleichen Informationen mit Doppler-Mikrovaskular-Bildgebungstechniken gewonnen werden können.

Die Verfügbarkeit und das Potenzial der ULM sind erst seit Kurzem in der klinischen Praxis bekannt. Es wird voraussichtlich noch mehrere Jahre dauern, bis Daten aus klinischen Studien vorliegen, die den klinischen Nutzen belegen, einschließlich des Mehrwerts gegenüber der Doppler-Mikrovaskulatur-Bildgebung und dem CEUS, bevor diese Technik in die klinische Routine-Anwendung übernommen werden kann. Daher bleibt sie derzeit noch ein Forschungsgebiet – sie steht jedoch an vorderster Stelle, was die Fortschritte in der Ultraschall-Technologie betrifft.

 

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Adrian Lim

Meng-Xing Tang

Interessenkonflikt

Die Autorinnen/Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

• References

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Publication History

Article published online:
06 August 2025