Hochauflösende 3D-Ansicht des Tumorinneren

Brustkrebs ist die häufigste Krebsart bei Frauen. Einzelne Tumore können sich erheblich voneinander unterscheiden und innerhalb ihrer Masse abweichende räumliche Muster aufweisen.

Einem Forschungs-Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München ist es mit Hilfe der optoakustischen Bildgebung gelungen, räumliche Veränderungen von Tumoren sichtbar zu machen. Die Methode könnte für die Entwicklung neuer Medikamente hilfreich sein.

Bösartige Tumore verbrauchen Nährstoffe und Sauerstoff schneller als gesunde Zellen. Dazu nutzen sie die Blutgefäße in ihrer Umgebung. Je nach Tumorart und genetischem Profil gibt es Unterschiede im inneren Erscheinungsbild von Tumoren.

In aller Regel weisen Tumore über ihr Volumen hinweg unterschiedliche Muster auf. Die Rolle dieser räumlichen Heterogenität ist bisher weder ausreichend verstanden noch an lebenden Tumoren untersucht worden.

Heute übliche Verfahren wie die optische Mikroskopie, die zum besseren Verständnis biologischer Funktionen in Tumoren eingesetzt werden, ermöglichen nur begrenzte Erkenntnisse über die räumliche Heterogenität von Tumoren. Sie greifen lediglich auf Gewebemengen von weniger als einem Kubikmillimeter zu.

Hohe Auflösung durch neues Bildgebungsverfahren

Eine neue, von einem Münchner Forschungs-Team entwickelte Technik, die sogenannte multi-spektrale optoakustische Mesoskopie (MSOM), ist in der Lage, den optischen Kontrast von Tumorumfängen mit einer Auflösung abzubilden, die mindestens um das Tausendfache größer ist als die, die eine optische Mikroskopie liefert.

Das ermöglicht es, Heterogenitätsmuster in Tumoren mit hoher Auflösung zu visualisieren. Bei diesem bildgebenden Verfahren wird der Tumor zunächst von allen Seiten mit Infrarot-Laserlichtpulsen angeregt.

„Tumor und Gewebekomponenten, die diese optischen Impulse absorbieren, erfahren einen winzigen, vorübergehenden Temperaturanstieg, der zu einer geringen lokalen Volumenausdehnung und anschließenden Kontraktion führt. Dieser Ausdehnungs- und Kontraktionsprozess erzeugt ein schwaches Ultraschallsignal, das wir mit einem Detektor erfassen,“ erklärt Gastwissenschaftlerin Dr. Jiao Li.

Die gesammelten Daten werden mathematisch verarbeitet, um Lichtabsorptionsbilder der verschiedenen Tumormuster zu erhalten, die die Sauerstoff- und die Gefäßversorgung des Tumors widerspiegeln.

„Mithilfe von MSOM lassen sich erstmals optische Bilder erzeugen, die das Innere von Tumoren bis zu einer Tiefe von zehn Millimetern und mehr sowie mit einer Auflösung von weniger als 50 Mikrometern abbilden“, sagt Dr. Li.

Funktionelle Vielfalt bei Tumoren verstehen

„Die Abbildung solider Tumorstrukturen mittels MSOM lässt uns Tumore in einem ganz neuen Licht sehen,“ sagt Prof. Vasilis Ntziachristos, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische Bildgebung an der TUM und Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung am Helmholtz Zentrum München.

„Da Umfang und Tiefe der Bildgebung bei MSOM deutlich über die Möglichkeiten der optischen Mikroskopie hinausgehen, können wir mit Hilfe dieser Technologie nachvollziehen, wie die Tumorfunktionalität über einzelne Tumore hinweg variiert.“

So können Forscherinnen und Forscher auf Bildern von Mammakarzinomen bei Mäusen Muster erkennen, die auf das Vorhandensein oder Fehlen von Blutgefäßen hindeuten – und so die Muster der Blutversorgung untersuchen. MSOM kann auch den Hämoglobinspiegel abbilden und anzeigen, ob Sauerstoff an den roten Blutfarbstoff gebunden ist oder nicht.

Darüber hinaus wurden MSOM-Bilder bereits verwendet, um die Durchlässigkeit von Gefäßwänden für Nanopartikel zu bestimmen. Am Mausmodell konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits nachverfolgen, wie winzige Goldpartikel transportiert wurden.

Tumorbilder in 3D ohne Operation

Im Gegensatz zur konventionellen Histologie, bei der Gewebe entfernt, zerschnitten und von einem Pathologen mikroskopisch untersucht wird, ermöglicht MSOM eine dreidimensionale Analyse ganzer lebender Tumore – ohne die Notwendigkeit einer operativen Biopsie.

Durch das Verfahren werden Längsschnittuntersuchungen zusätzlich unterstützt, sodass Tumorwachstum oder -rückgang unter verschiedenen Medikamenten mit größerer Präzision untersucht werden können. All dies ebnet den Weg zu einem besseren Verständnis der biologischen Funktion und Wirksamkeit von Medikamenten bei Menschen.

Mehr Informationen:

Die Forschungsarbeit wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) und der National Natural Science Foundation of China unterstützt.

Prof. Dr. Vasilis Ntziachristos
Technische Universität München
Lehrstuhl für Biologische Bildgebung
Tel.: +49 89 4140 7211
Email: v.ntziachristos@tum.de

J. Li, A. Chekkoury, J. Prakash, S. Glasl, P. Vetschera, B. Koberstein-Schwarz, I. Olefir, V. Gujrati, M. Omar, V. Ntziachristos: Spatial heterogeneity of oxygenation and hemodynamics in breast cancer resolved in vivo by conical multispectral optoacoustic mesoscopy. Light Sci Appl 9, 57 (2020). DOI: 10.1038/s41377-020-0295-y