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3D-Bildgebungsverfahren Wie man den Weg von Nanopartikeln im Körper sichtbar macht

| Redakteur: Christian Lüttmann

Nanopartikel als medizinische Wirkstoffträger sind ein vielversprechendes Forschungsfeld. Doch um zu testen, ob sie sich gezielt steuern lassen und dabei gefahrlos für den Organismus sind, muss man die Partikeln auf ihrem Weg durch den Körper verfolgen können. Ein neuentwickeltes Aufnahme-Verfahren von Forschern aus der Schweiz ermöglicht dies nun in Form von hochauflösenden 3D-Bildern.

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Mittels Mikrotomografie im Phasenkontrastmodus nahmen Forscher der Universität Basel hoch aufgelöste, dreidimensionale Bilder von Zebrafisch-Embryos auf, in denen die Verteilung von Nanopartikeln (rot) sichtbar wird. Ebenfalls rot und gut zu erkennen aufgrund der hohen Dichte sind die Augenlinse und die Otolithen im Innenohr, also Kalksteinchen des Gleichgewichtsorgans.
Mittels Mikrotomografie im Phasenkontrastmodus nahmen Forscher der Universität Basel hoch aufgelöste, dreidimensionale Bilder von Zebrafisch-Embryos auf, in denen die Verteilung von Nanopartikeln (rot) sichtbar wird. Ebenfalls rot und gut zu erkennen aufgrund der hohen Dichte sind die Augenlinse und die Otolithen im Innenohr, also Kalksteinchen des Gleichgewichtsorgans.
(Bild: Universität Basel, Jan Bolten)

Basel/Schweiz – Metallische Nanopartikel sind vielversprechende Werkzeuge der Medizin – als Kontrastmittel, Wirkstoff-Transporteure oder zur Abtötung von Tumorzellen durch Wärme. Um die Wirksamkeit und Sicherheit metallischer Nanopartikel für medizinische Anwendungen zu bestimmen, müssen Entwickler untersuchen, wie sich die Partikel im lebenden Organismus verteilen und wo sie sich anreichern. Bisher mussten die Partikel dafür mit radioaktiven oder fluoreszierenden Molekülen markiert werden, was aber ihre Verteilung im Organismus beeinflussen kann. Oder es war eine so hohe Dosis an Partikeln nötig, dass dies ebenfalls die Ergebnisse verfälschte.

Forscher von der Universität Basel haben nun einen Ansatz vorgestellt, der diese Probleme umgehen soll: Sie nutzten ein spezielles bildgebendes Verfahren, nämlich Mikrotomografie im Phasenkontrastmodus auf Basis von Synchrotron-Röntgenstrahlung, um die Verteilung von Nanopartikeln – ohne spezielle Markierung – in Zebrafisch-Embryos zu untersuchen.

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Riesige „Kamera“ durchleuchtet kleine Fische

Embryos von Zebrafischen eignen sich für toxikologische Studien dieser Art besonders gut, da ihr Körper durchsichtig ist und sie ein dem Menschen ähnliches Immunsystem haben. Obwohl die Tiere nur knapp drei Millimeter lang sind, erkennt man auf den dreidimensionalen Aufnahmen jede Zelle im Körper sowie die Verteilung der injizierten Nanopartikel.

Die Forscher nutzten für die Aufnahmen die 138 Meter im Durchmesser große Synchrotron-Lichtquelle am Paul-Scherrer-Institut. „Dies ist die größtmögliche Kamera der Schweiz für diese winzigen Lebewesen“, sagt Prof. Dr. Jörg Huwyler, einer der beiden Studienleiter. „Die verschiedenen Organe und sogar der Sehnerv werden durch den Phasenkontrast sichtbar“, ergänzt Prof. Dr. Bert Müller, der andere Studienleiter.

Magnetische Partikel als Wirkstoff-Transporter untersuchen

Die von den Forschern verwendeten magnetischen Eisenoxid-Nanopartikel lassen Gewebeunterschiede in der Magnetresonanztomografie deutlicher hervortreten. Sie könnten künftig auch zum Einsatz kommen, um Wirkstoffe, von äußeren Magnetfeldern gelenkt, an den gewünschten Einsatzort im Körper zu bringen.

Die Nanopartikel bestehen aus einem metallischen Kern und können mit je nach Anwendung gestalteten Außenhüllen versehen werden. Mit dem nun vorgestellten Verfahren lässt sich einfacher untersuchen, wie sich Partikel mit unterschiedlich gestalteter Außenhülle im Organismus verhalten.

Originalpublikation: Emre Cörek, Griffin Rodgers, Stefan Siegrist, Tomaz Einfalt, Pascal Detampel, Christian M. Schlepütz, Sandro Sieber, Pascal Fluder, Georg Schulz, Harald Unterweger, Christoph Alexiou, Bert Müller, Maxim Puchkov, and Jörg Huwyler: Shedding Light on Metal-Based Nanoparticles in Zebrafish by Computed Tomography with Micrometer Resolution, Small (2020), doi: 10.1002/smll.202000746

(ID:46717837)