Echtzeitortung tief im Gewebe

Moderne Fortschritte in der Medizin bringen es mit sich, dass immer kleinere Objekte durch den menschlichen Körper bewegt werden: Mikroimplantate, Mini-Katheter und winzige medizinische Instrumente. Bereits jetzt wird an der nächsten Generation der minimalinvasiven Mikrochirurgie gearbeitet. Ziel ist es, dass kleine Mikroroboter mit eigenem Antrieb durch den Körper und durch das Gewebe geschickt werden, um Substanzen und Objekte zu transportieren. Gleichzeitig müssen neue Verfahren entwickelt werden, mit denen diese Mikroobjekte geortet und in ihrer Bewegung überwacht werden können.

Herkömmliche Methoden wie Ultraschall, Röntgen oder Magnet­resonanz­tomographie (MRT) scheitern dabei entweder an der unzureichenden Auflösung oder wegen Langzeit­schäden durch Radio­aktivität oder hohe Magnetfelder. Oliver G. Schmidt, Physiker und Instituts­direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoff­forschung Dresden (IFW), und Gruppen­leiterin Mariana Medina Sanchez sowie ihrem Doktoranden Azaam Aziz ist hier ein entscheidender Schritt gelungen.

Die Forscher konnten die Bewegung von einzelnen Mikroobjekten unterhalb von Zentimeter dickem Gewebe in Echtzeit verfolgen. Dabei nutzten sie die multi­spektrale opto­akustische Tomographie (MSOT). Diese Technik kombiniert die Vorteile der Ultraschall­bildgebung hinsichtlich Tiefe und Auflösung mit den Möglichkeiten optischer Methoden, molekulare Strukturen abzubilden. Damit können die spektralen Signaturen der künstlichen Mikroobjekte von denen der Gewebe­moleküle deutlich unterschieden werden. Für die Untersuchung wurden die Mikroobjekte mit Gold­nanostäben beschichtet. Durch diesen Kniff konnte der Kontrast des Signals entscheidend verbessert werden. Damit war es erstmalig möglich, Mikrostrukturen und System­komponenten, die sich tief im Gewebe bewegen, in Echtzeit zu orten.

Der photoakustische Effekt wurde bereits 1881 von Alexander Graham Bell entdeckt. Er besagt, dass die von einem Material absorbierte Lichtenergie in ein akustisches Signal umgewandelt wird. Moderne opto­akustische Bildgebungs­systeme verwenden hochenergetische gepulste Laser und hochempfindliche Breitband-Ultraschalldetektoren. Durch die Anregung von Gewebe mit einem Laserpuls und die Erfassung von Schallwellen kann die optische Absorption im Gewebe erfasst und visualisiert werden. Die opto­akustische Bildgebung wird vom Münchner Medizin­technik­unternehmen ithera Medical Gmbh weiter­entwickelt, mit dem das IFW Dresden für diese Arbeit eng zusammenarbeitet.

IFW / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Aziz et al.: Real-time optoacoustic tracking of single moving micro-objects in deep phantom and ex vivo tissues, nano letters, online 14. August 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02869
• Institute for Integrative Nanosciences (O. G. Schmidt), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, Dresden