Computertomographie mit dem Laser
Die Laser-Raster-Tomografie ist eine schnelle Methode zur Abbildung biologischer Gewebe bis hin zu kompletten Organen in hoher 3D-Auflösung.
Das unter der Bezeichnung Scanning Laser Optical Tomography (SLOT) zum Patent angemeldete Verfahren kommt vom Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH). Es war ursprünglich ein 3D-Fluoreszenzverfahren für ein schnelles Abtasten großer Proben. SLOT, das als lichttechnisches Äquivalent zur Computertomographie gesehen werden kann, arbeitet mit isotroper Auflösung, d.h. gleicher Auflösung in allen drei räumlichen Achsen und erfasst simultan sowohl Transmissions- als auch Streu- und Fluoreszenzlicht. So werden Proben mit einer 3D-Auflösung von mindestens einem Tausendstel der Objektgröße in sehr kurzer Zeit abgebildet. Ziel im aktuellen Projekt zur Weiterentwicklung dieser zukunftsträchtigen Technologie ist, eine Aufnahmegeschwindigkeit von zwanzig Sekunden für 600 Einzelprojektionen zu erreichen.
Abb.: Rohdaten einer murinen Lunge. Links: Transmissionsbild (Photodiode). Mitte: Autofluoreszenzbild (Photomultipliertube). Rechts: Superposition beider Signale (rot: PD, grün: PMT). (Skalierung 500 Mikrometer) (Bild: LZH)
Im Vergleich zur Optischen Projektionstomografie birgt SLOT entscheidende Vorteile: Neben einer homogenen Beleuchtung mit 300-fach höherer Photonenausbeute sowie einem sehr hohen Signal-Rauschverhältnis lassen sich Ringartefakte und „Speckles“ aufgrund eindimensionaler Detektion vermeiden. Des Weiteren erlaubt das Verfahren die Verwendung sowohl intrinsischer (Absorption, Streuung, Autofluoreszenz) als auch extrinsischer (Fluoreszenz-und Absorptionsmarker) Kontrastmechanismen.
Auf der Basis intrinsischer Kontrastverfahren entstanden ex vivo hochaufgelöste volumetrische Darstellungen u. a. von Heuschreckengehirnen und Mäuselungen. Mithilfe von Absorptions- und Autofluoreszenz-Bildverfahren bildeten die Forscher am LZH beispielsweise – am zuvor optisch aufgeklarten Lungengewebe – Strukturen bis in die Auflösungsebene einzelner Alveolen ab.
Abb.: Darstellung der Oberflächenbesiedelung eines Dentalimplantates durch Bacillus cereus. Links: Kombination zweier Einzelprojektionen aus Streu- und Absorptionssignal durch Überlagerung der beiden Kanäle. Rechts: Rekonstruierter und gerenderter Volumendatensatz der einzelnen Bakterienkolonien (Skalierung: 500 Mikrometer). (Bild: LZH)
Des Weiteren konnten sie zeigen, dass sich SLOT auch für die Bestimmung von Objekten auf intransparenten Probenoberflächen eignet. So gelang 2012 die dreidimensionale Visualisierung von Bakterienwachstum auf der Oberfläche von Dentalimplantaten sowie die Darstellung der in vitro-Entwicklung (und damit die Erweiterung in die vierte Dimension) der Mikroorganismen ohne Fluoreszenzfärbung. Technische Grundlage ist die Detektion des an lebenden Biofilmen gestreuten Laserlichts bzw. die wellenlängenabhängige Absorption von Metabolismusmarkern wie 2,3,5-Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC). Diese setzen die stoffwechselaktiven Bakterienzellen in 1,3,5-Triphenylformazan (TPF) um und reichern sie an.
In enger Kooperation mit der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover sowie der Medizinischen Hochschule Hannover finden derzeit verschiedene Untersuchungen zur Etablierung des neuen Bildgebungsverfahrens statt. So sind Entwickler der Gruppe Biophotonische Bildgebung und Manipulation am LZH gemeinsam mit Industriepartnern dabei, SLOT als vollautomatisiertes Tomografie-Modul einzuführen: als sogenanntes Laser-Scanning Tomographic Module (LSTM). Das Gerät könnte – eingebaut in bestehende konfokale und 2-Photonen-Mikroskope – etwa zum Monitoring der Fluktuation von NAD/NADH, cAMP bzw. Calcium-Ionen dienen oder bei der Analyse der intra- wie extrazellulären Anlagerung von Mikro- und Nanopartikeln in Zellaggregaten helfen. Auch für eine nicht-invasive, zeit- und ortsaufgelöste Untersuchung künstlicher Gewebe mit anschließender in vitro-Kontrolle ist das LSTM eine innovative Technologie.
LZH / PH
