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 In-vivo-Mikroskopie

Unter In-vivo-Mikroskopie versteht man die Mikroskopie von Zellen oder Zellverbänden in ihrer natürlichen physiologischen Umgebung zu analytischen oder diagnostischen Zwecken. Bildgebung, die im klinischen Umfeld und mit direktem Bezug zu therapeutischen Verfahren zum Einsatz kommt, wird im Bereich Fluoreszenzbildgebung vorgestellt.

Biologische Mikro- und Nanostrukturen sind in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses gerückt. Die mikro-
skopischen Techniken, die die nötigen hohen Auflösungen bieten, erfordern großteils eine spezielle Vorbehandlung der Proben: Die Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM) erfordert eine Trocknung und hauchdünne Beschichtung mit Metall, die Raster-Kraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) eine trockene Oberfläche, Gewebe-
schnitte in der Regel eine histologische Aufbereitung mit Fixierung und Färbung.
Möchte man Zellen oder Gewebeverbände in vivo beobachten, darf das biologische System nur so wenig wie möglich beeinflusst werden. Hierzu werden verschiedene Techniken angewendet, wie die Dunkelfeld-Mikroskopie, die Phasenmikroskopie und der Einsatz von Fluoreszenzmarkern.

Besonders die Fluoreszenztechniken haben ein großes Potential, da hier die molekularen Prozesse, die Ziel der Beobachtung sind, anhand ihrer Fluoreszenz mit einem starken Kontrast zur Umgebung verfolgt werden können. Fluorophore können in den Zellen endogen vorhanden sein (Autofluoreszenz) oder exogen als Fluoreszenzmarker hinzugefügt werden (Xenofluoreszenz). Eine Autofluoreszenz wird in biologischem Material z.B. durch endogene Fluorophore wie Aminosäuren (z.B.Tryptophan), Coenyzme (NADH, NADPH; nur die reduzierten Coenzyme fluoreszieren), Flavine oder Porphyrine hervorgerufen.

Ein hoher optischer Kontrast lässt sich auch ohne Fluoreszenz zur Diagnose von Dysplasien erzeugen, z. B. bei der Kolposkopie (der Mikroskopie des Gebärmutterhalses). Durch einen Provokationstest mit verdünnter Essigsäure und Jod-Tinktur werden charakteristische Farbreaktionen des Epithels hervorgerufen: Metaplastisches oder dysplastisches Gewebe zeigt eine weißliche Verfärbung, häufig in Kombination mit einer typischen Gefäßmusterung (Mosaik, Punktierung). Ergänzend führt die Schillersche Jodprobe (Glykogennachweis) bei gesundem Gewebe zu einer bräunlichen Anfärbung, nicht dagegen bei neoplastischem Epithel. Diese spezifischen Gewebsreaktionen erlauben eine sehr frühe und empfindliche Diagnose von Krebsvorstufen. Die Verwendung einer digitalen Kamera erlaubt sowohl eine eindeutige Befunddokumentation als auch eine einfache Verlaufskontrolle. Darüber hinaus ist durch Telekolposkopie das Einholen einer second opinion oder die Unterstützung von weniger erfahrenen Ärzte z.B. in der Dritten Welt möglich.

Mögliche Methoden zur Detektion und Differenzierung fluoreszierender Stoffe umfassen die Fluoreszenzspektroskopie bzw. spektrale Messungen bei ausgewählten Einzelwellenlängen sowie Messungen der Fluoreszenzlebensdauer (Abklingprofile) und Fluoreszenz-Anisotropie (Drehung der Polarisationsebene relativ zu der des Anregungslichts). Die LMTB ist mit ihrer umfassenden Geräteausstattung in diesem Bereich für alle Fragestellungen gerüstet. Ein Beispiel eines solchen Forschungsthemas ist der Transfer der an einem Laser-Scan-Mikroskop zum Einsatz kommenden Technologie der Fluoreszenzanregung in ein Laser-Scan-Endoskop.

Neue Möglichkeiten für die Fluoreszenztechniken ergeben sich durch den Einsatz von quantum dots, die entsprechend ihrer Größe verschiedene Fluoreszenzwellenlängen zeigen und gleichzeitig in einem breiten Spektralbereich angeregt werden können. Dies bedeutet, dass mit einer Anregungswellenlänge mehrere (entsprechend der Größe der Quantenpunkte) Fluoreszenzemissionswellenlängen beobachtet werden können. Dadurch werden Mehrfarb- Fluoreszenzuntersuchungen möglich, in denen verschieden präparierte Quantenpunkt-Marker gleichzeitig beobachtet und unterschieden werden können. Dies eröffnet neue Wege zum optical molecular imaging (OMI).

Fluoreszenzbildgebung / Molecular Imaging

Der Begriff Molecular Imaging umschreibt einen Paradigmenwechsel in der modernen medizinischen Bildgebung: Über das morphologische Abbild des Situs hinaus werden unter Einsatz targetspezifischer Kontrastmittel und Sensoren auch funktionelle, biochemische Veränderungen in Geweben darstellbar.

Die Fluoreszenzbildgebung, als Optical Molecular Imaging, ist zum einen ein effektives Mittel der vorklinischen Erforschung molekularmedizinischer Prozesse in der Kleintierbildgebung und der Entwicklung neuer Fluoreszenzkontrastmittel (speziell im nahinfraroten Spektralbereich, NIR). Zum anderen erlauben diese Indikatoren pathologischer Gewebeareale in der intra-operativen Bildgebung eine schnelle Orientierung des Chirurgen, beschränken Geweberesektionen patientenschonend auf das nötige Maß und verringern dennoch die Rezidivwahrscheinlichkeit.

Von der LMTB entwickelte Bildgebungsmodalitäten für Kleintierbildgebung, Operationsmikroskopie, Endoskopie und Handkameras decken das gesamte Spektrum der relevanten Fluorophore ab (körpereigene Fluorophore, fluoreszierende Proteine, Photosensibilisatoren und Kontrastmittel).

In der Entwicklung befindet sich ein System für die zweidimensionale Bildgebung von Sauerstoff in oberflächennahen Gewebearealen, das für ein Therapie-Monitoring in der photodynamischen Therapie (PDT) konzipiert ist.
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