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Mikroobjekte im Gewebe verfolgen Live-Blick unter die Haut

| Redakteur: Christian Lüttmann

Mikroroboter für medizinische Zwecke könnten in Zukunft zur Normalität werden. Und schon heute bewegen Ärzte winzige Katheter oder Implantate im Körper der Patienten. Um solche Objekte live zu verfolgen, haben Forscher am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden nun eine optoakustische Methode vorgestellt, mit der sich in Echtzeit Mikroobjekte unter der Haut verfolgen lassen.

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In Zukunft wird es wichtiger werden, Mikroobjekte wie Nanobots im Gewebe zu verfolgen und deren Arbeit zu kontrollieren (Symbolbild).
In Zukunft wird es wichtiger werden, Mikroobjekte wie Nanobots im Gewebe zu verfolgen und deren Arbeit zu kontrollieren (Symbolbild).
(Bild: ©Kateryna_Kon - stock.adobe.com)

Dresden – Moderne Fortschritte in der Medizin bringen es mit sich, dass immer kleinere Objekte durch den menschlichen Körper bewegt bzw. in den Körper eingesetzt 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.

Doch gerade in der Anfangsphase von solchen neuen Technologien ist es wichtig, dass deren korrekte Funktionsweise überwacht werden kann. Es gilt also, Verfahren zu entwickeln, mit denen sich diese Mikroobjekte orten und ihre Bewegungen kontrollieren lassen.

Objektverfolgung mit Ultraschall und Laser

Herkömmliche Methoden wie Ultraschall, Röntgen oder Magnetresonanztomographie (MRT) scheitern dabei entweder an der unzureichenden Auflösung oder wegen Langzeitschäden durch Radioaktivität oder hohe Magnetfelder. Nun ist Forschern vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) hier ein entscheidender Schritt gelungen.

Sie konnten die Bewegung von einzelnen Mikroobjekten unterhalb von Zentimeter dickem Gewebe, in diesem Fall einem Stück Hühnerbrust, in Echtzeit verfolgen. Dabei nutzten sie die so genannte 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 künstlicher Mikroobjekte von denen der Gewebemoleküle deutlich unterschieden werden.

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Schall aus Licht – der photoakustische Effekt

Für ihre Live-Ortungsmethode nutzen die IZW-Forscher u.a. den photoakustischen Effekt. 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.

Mit modernen optoakustischen Bildgebungssysteme können dank dieses Effekts sozusagen Schallbilder erzeugt werden. Dazu bestrahlen leistungsstarke gepulste Laser die zu untersuchende Probe, während hochempfindliche Breitband-Ultraschalldetektoren das zurückgeworfene akustische Signal registrieren. So kann z.B. durch die Anregung von Gewebe mit einem Laserpuls und die Erfassung von Schallwellen die optische Absorption im Gewebe erfasst und visualisiert werden.

Goldlack erhöht den Bildkontrast

Für den Test dieser Methode hatten die Forscher Mikroobjekte mit Goldnanostäben beschichtet. Durch diese Modifikation ließ sich der Kontrast des Signals entscheidend verbessern. Damit war es dann erstmalig möglich, Mikrostrukturen und Systemkomponenten in Echtzeit zu orten, selbst wenn sie sich tief im Gewebe bewegten.

Originalpublikation: Azaam Aziz, Mariana Medina-Sánchez, Jing Claussen, Oliver G. Schmidt: Real-time optoacoustic tracking of single moving micro-objects in deep phantom and ex vivo tissues, nano letters 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02869

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