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Projektionstomografie

Den Blickwinkel mit der Scanning Laser Optical Tomography ändern

| Autor/ Redakteur: Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus / Dr. Ilka Ottleben

Wie ein neues scannendes Verfahren der optischen Projektionstomografie mehr Information liefert, erläutert Dr. Heiko Meyer im Interview.

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Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Heiko Meyer, Laser Zentrum Hannover e.V., Abteilung Biomedizinische Optik, Leiter der Arbeitsgruppe Biophotonische Bildgebung und Manipulation
Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Heiko Meyer, Laser Zentrum Hannover e.V., Abteilung Biomedizinische Optik, Leiter der Arbeitsgruppe Biophotonische Bildgebung und Manipulation
(Bild: Laser Zentrum Hannover e.V.)

LABORPRAXIS: Herr Dr. Meyer, am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) wurde die so genannte Scanning Laser Optical Tomography (Slot) entwickelt. Bitte beschreiben Sie diese Methode genauer.

Dr. Heiko Meyer: Slot ist aus der Idee entstanden, die optische Projektionstomografie (OPT) mit der Beleuchtungstechnik eines scannenden Mikroskops zu fusionieren. Nach meiner Rückkehr aus dem Ausland, wo ich während meiner Promotion an der optischen Projektionstomografie gearbeitet habe, bin ich als Mitarbeiter in der Abteilung Biomedizinische Optik des LZHs mit anderen Bildgebungsverfahren, wie der Multiphotonenmikroskopie, in Berührung gekommen. Die optische Projektionstomografie, entwickelt von James Sharpe, kann als lichttechnisches Äquivalent zur klassischen Computertomografie gesehen werden. Ein Objekt wird von einer Seite beleuchtet und das transmittierte Licht wird von einer Kamera dahinter detektiert. Dadurch erhält man ein Transmissionstomogramm der Probe, welches man mittels geeigneter mathematischer Berechnungen zu einem Volumendatensatz rekonstruieren kann. Alternativ kann man auch orthogonal zur Einstrahlrichtung detektieren. Diese Richtung nutzen wir für die Detektion von Streulicht und Fluoreszenz. In Slot wird im Gegensatz zur OPT, bei der die Probe großflächig beleuchtet wird, die Probe mit einem sehr dünnen Nadelstrahl abgerastert, also einem Fokus, der sich über die gesamte Dicke der Probe erstreckt. Die Bildinformation wird dann durch das Aneinandersetzen der einzelnen Nadelfoki erreicht. Wichtig ist, dass die Probe für die Strahlung der verwendeten Strahlungsquelle hinreichend transparent ist. Bei der Röntgenstrahlung eines CT sind bekanntlich die meisten Proben transparent. Bei Strahlung im sichtbaren Bereich hingegen sind viele Objekte intransparent. Daher bedient man sich hier der Methode des optischen Aufklarens.

LABORPRAXIS: Können Sie diese Methode etwas veranschaulichen?

Dr. Heiko Meyer: Beim optischen Aufklaren wird die Streuung, also multiple Reflektion aufgrund von Brechungsindexunterschieden in der Probe, reduziert. Um diese Unterschiede in biologischem Gewebe zu reduzieren, wird das Gewebswasser der Proben gegen flüssige Medien mit höherem Brechungsindex ausgetauscht. Vereinfacht kann man sich das anhand von Bierschaum vorstellen: Bierschaum besteht aus Luftbläschen und ist bekanntlich intransparent. Das liegt daran, dass die Photonen, wenn sie den Bierschaum durchqueren, viele Richtungsänderungen aufgrund der Reflektion an jeder Bläschenoberfläche erfahren. Damit verlieren sie ihre Richtungsinformation und können nicht mehr eindeutig einem Bildpunkt zugeordnet werden. Würde man nun diese Bläschen mit Wasser füllen, dann erzielt man eine Brechungsindexanpassung, und der „Schaum“ wäre transparent.

LABORPRAXIS: Welche Vorteile bietet die Technik gegenüber anderen Tomografie-Methoden?

Dr. Heiko Meyer: Ein wesentlicher Vorteil ist die Detektionseffizienz. Da es sich um ein scannendes Verfahren handelt, kommen hier null-dimensionale Detektoren zum Einsatz, das heißt also keine Zeilen- oder Flächen-CCD-Arrays, sondern im übertragenen Sinne ein einzelner großer Pixel. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um Charged Couple Devices, sondern um Photonenvervielfacher, so genannte PMTs (Photo Multiplier Tubes). Die Scanfläche, die äquivalent zur Probengröße ist, wird dann eins zu eins auf die Fläche des Detektors abgebildet. Des Weiteren sind die beiden optischen Pfade, einer für das eingestrahlte Licht und einer für das zu detektierende Licht, voneinander entkoppelt. Dadurch ist man in der Lage, auch bei großen Proben, bei denen die numerische Apertur klein gewählt werden muss, trotzdem mit einer relativ hohen numerischen Apertur zu detektieren. Dadurch kommt die vergleichsweise hohe Sammeleffizienz der Technik zustande. Darüber hinaus bietet die Technik die Verwendungsmöglichkeit vieler Kontrastmechanismen, sowohl intrinsischer als auch extrinsischer Natur. Das heißt man bekommt im Vergleich zu anderen Techniken immer eine oder mehrere Zusatzinformationen. Bei einigen Techniken ist eine Sekundärfärbung notwendig. Slot bietet dazu die Möglichkeit, beispielsweise die gewebeeigene Absorption als zusätzliche Information zu nutzen.

LABORPRAXIS: Anhand welcher Modellsysteme konnten bisher Daten gesammelt werden?

Dr. Heiko Meyer: Angefangen haben wir mit relativ kleinen Proben, die uns von einem Kooperationspartner zur Verfügung gestellt wurden. Dabei handelte es sich um bioartifizielles Knorpelgewebe, das aus mehreren Hundert Zellen besteht. Diese Zellcluster hatten eine Größe von etwa einem halben Millimeter. Jedoch sind wir schnell zu größeren Proben übergegangen. Im Rahmen verschiedener Kooperationen und Projekte haben wir das Potenzial der Technik erkannt. Heute reichen die Proben von Clustern aus artifiziell generierten Stammzellen über Heuschreckengehirne bis hin zu künstlich hergestellten Herzmuskelgewebe für die regenerative Medizin und kompletten Cochleae für die Hörforschung. Die größten Objekte bisher waren jedoch ganze Mäuselungen, die uns aus Projekten im Rahmen des Forschungsnetzwerks Breath übergeben wurden. Darüber hinaus haben wir feststellen können, dass die Technik nicht nur für transparente Objekte geeignet ist, sondern auch für Objekte, die sich auf intransparenten Oberflächen befinden. Dahingehend wurde beispielsweise die Proliferation und Migration von Bakterien auf den Oberflächen von Dentalimplantaten untersucht. Bisher wurden solche Objekte immer langwierig in kleinen Flächenelementen von 150 µm mal 150 µm abgerastert. Bei der Größe eines Dentalimplantates von 13 mm Länge und 4 mm im Durchmesser, gerät man schnell an zeitliche Grenzen und an Probleme bei der Datenakquisition und Datenspeicherung. Mit Slot lassen sich also sowohl in vitro, als auch bei bestimmten Organismen wie zum Beispiel dem Zebrafisch, 3D-Datensätze in vivo in wenigen Minuten erzeugen.

LABORPRAXIS: Derzeit wird an einem Laser Scanning Tomographic Module (LSTM) gearbeitet. Worum handelt es sich hierbei, und wo wird dieses Modul zur Anwendung kommen?

Dr. Heiko Meyer: Das Laser Scanning Tomographic Microscope, kurz LSTM, ist ein Tomografiemodul, welches als zusätzliche Bildgebungsmodalität an die Mikroskope der Firma Lavision Biotec mit Sitz in Bielefeld adaptiert werden soll. Das LSTM wird im Rahmen eines BMWI-ZIM-Projektes entwickelt, und kann später an allen bereits auf dem Markt befindlichen sowie zukünftigen Multiphotonenmikroskopen eingesetzt werden. Der Einsatz richtet sich natürlich immer nach dem Nutzer. Wir sehen das Produkt aber stark in der Entwicklungsbiologie von Zellclustern aber auch von biologischen Modellorganismen.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Dr. Meyer.

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