Fluoreszenztomographie

mini|Messung von STL-6014, einem potentiellen Bakteriochlorophyll (BChl), das mit einer RGD-Sequenz ergänzt wurde und sich in nekrotischen Teilen eines Brustkrebstumors vom Typ MDA-MB-231-RFP anreichert. Der Tumor wurde zuvor in eine weibliche CD-1-Nacktmaus implantiert. Die Fluoreszenztomographie ist ein in der In-vivo-Diagnostik verwendetes bildgebendes Verfahren. Sie ist eine spezielle Form der diffusen optischen Tomographie. Mit der Fluoreszenztomographie kann die Verteilung von Fluorophoren in biologischem Gewebe dreidimensional erfasst und quantifiziert werden. Die hohe Sensitivität des Verfahrens ermöglicht die Anwendung zur Molekularen Bildgebung. Das Verfahren wird vor allem in der Forschung und in präklinischen Studien verwendet.

In der Literatur sind auch andere Bezeichnungen für die Fluoreszenztomographie, wie beispielsweise Fluoreszenzbildgebung (engl. fluorescence imaging), üblich. In der englischsprachigen Fachliteratur gibt es bisher noch keinen einheitlich verwendeten Namen für dieses Verfahren. So werden unter anderem die Begriffe fluorescence molecular tomographyE. E. Graves u. a.: Singularvalue analysis and optimization of experimental parameters in fluorescence molecular tomography. In: Journal of the Optical Society of America A 21, 2004, S. 231–241. PMID 14763766V. Ntziachristos u. a.: Visualization of antitumor treatment by means of fluorescence molecular tomography with an Annexin V-Cy5.5 conjugate. In: PNAS 101, 2004, S. 12294–12299. PMID 15304657, fluorescence tomography,M. J. Eppstein u. a.: Threedimensional, bayesian image reconstruction from sparse and noisy data sets: Near-infrared fluorescence tomography. In: PNAS 99, 2002, S. 9619–9624. PMID 12105269, A. Joshi u. a.: Plane-wave fluorescence tomography with adaptive finite elements. In: Optics Letters 31, 2006, S. 193–195. PMID 16441027A. D. Klose and H. Hielscher u. a.: Fluorescence tomography with simulated data based on the equation of radiative transfer. In: Optics Letters 28, 2003, S. 1019–1021. PMID 12836765 fluorescence(-enhanced) optical tomography,A. Godavarty u. a.: Diagnostic imaging of breast cancer using fluorescence-enhanced optical tomography: phantom studies. In: J Biomed Opt 9, 2004, S. 488–496. PMID 15189086 oder fluorescence optical diffusion tomographyA. B. Milstein u. a.: Fluorescence optical diffusion tomography. In: Applied Optics 42, 2003, S. 3081–3094. PMID 12790460 verwendet.R. B. Schulz: Entwicklung eines berührungsfrei arbeitenden Fluoreszenztomographiesystems mit angepassten Rekonstruktionsalgorithmen. Dissertation, Universität Heidelberg, 2006

Verfahren mini|links|hochkant=1.3|Die Arten des Strahlungstransportes im Körpergewebe mini|Prinzipskizze zum Aufbau eines Fluoreszenztomographen für Kleintiere.Sonu Bhaskar, Furong Tian, Tobias Stoeger, Wolfgang Kreyling, Jesús M de la Fuente, Valeria Grazú, Paul Borm, Giovani Estrada, Vasilis Ntziachristos und Daniel Razansky: Multifunctional Nanocarriers for diagnostics, drug delivery and targeted treatment across blood-brain barrier: perspectives on tracking and neuroimaging. In: Particle and Fibre Toxicology 2010, 7:3, doi:10.1186/1743-8977-7-3 PMID 20199661 (Review-Artikel im Open Access) mini|Ein Gerät zur In-vivo-Fluoreszenz-Bildgebung für Kleintiere.Cynthia S Snyder, Sharmeela Kaushal, Yuko Kono, Hop S Tran Cao, Robert M Hoffman und Michael Bouvet: Complementarity of ultrasound and fluorescence imaging in an orthotopic mouse model of pancreatic cancer. In: BMC Cancer 2009, 9:106, doi:10.1186/1471-2407-9-106 PMID 19351417 (Open Access)

mini|Fluoreszenzbildgebung eines orthotopen Implantates eines Pankreaskarzinoms einer Maus. Die Bildgebung dient zur Bestimmung des Tumorvolumens. Die Maus wurde zwei Wochen nach der Injektion von humanen Pankreastumorzellen vom Typ XPA-1 fotografiert. Als Farbstoff wurde rot-fluoreszierendes Protein verwendet (RFP). Die Bildreihe A–C zeigt die betäubte Maus. Bild A ist ein Fusionsbild aus sichtbarem Licht und Fluoreszenzaufnahme. Bild B zeigt die Fluoreszenz des mit RFP markierten Tumors (nicht quantitativ). Bild C ist eine monochrome quantitative Aufnahme der Fluoreszenz des Tumors aus Bild A+B. In Reihe D–F wurde die Bauchdecke der Maus geöffnet und die Aufnahmen von A bis C wiederholt. Deutlich zu erkennen ist die bessere Auflösung der Bilder, da die störenden Einflüsse der Bauchdecke fehlen.

mini|Die Anreicherung von STL-6014 im nekrotischen Gewebe von orthotopen Brustkrebstumoren, die CD-1-Nacktmäusen implantiert wurden. Zeile A: Fusionsbild Tageslicht-/„NIR“-Aufnahme (575–650 nm) der Maus, zeigt den gesamten rotfluoreszierenden Tumor Zeile B: Fusionsbild Tageslicht-/NIR-Aufnahme (810–875 nm) der Maus, zeigt nur die nekrotischen Bereiche des Tumors Zeile C: Fusionsbild Tageslicht-/NIR-Aufnahme des exzidierten Tumors Zeile D: Tageslichtaufnahme des exzidierten Tumors Zeile E: Histologischer Schnitt durch den angefärbten Tumor (HE-Färbung)Liat Goldshaid, Efrat Rubinstein, Alexander Brandis, Dadi Segal, Noa Leshem, Ori Brenner, Vyacheslav Kalchenko, Doron Eren, Tamar Yecheskel, Yoseph Salitra, Yoram Salomon und Avigdor Scherz: In: Breast Cancer Research 2010, 12:R29, doi:10.1186/bcr2579 (Open Access)

Die Fluoreszenztomographie wird üblicherweise im Nahinfrarotbereich (NIR) durchgeführt. Im Bereich von etwa 700 bis 900 nm Wellenlänge hat das Körpergewebe nur eine geringe Lichtabsorption. Wichtig ist hierbei vor allem die geringe Absorption von Hämoglobin und Wasser. Hämoglobin ist in „typischem“ Gewebe mit 29 Prozent Fett- und 8 Prozent Blutanteil für 39 bis 64 Prozent der Absorption des NIRs verantwortlich und somit der bestimmende Faktor.Y. T. Lim u. a.: Selection of quantum dot wavelengths for biomedical assays and imaging. In: Mol Imaging 2, 2003, S. 50–64. PMID 12926237 In diesem „spektralen Fenster“ von 700 bis 900 nm kann die Strahlung von Fluoreszenzfarbstoffen, die im nahinfraroten Bereich des Spektrums emittieren, das Gewebe verhältnismäßig gut durchdringen. Die Restabsorption ist zusammen mit Streueffekten des Gewebes der begrenzende Faktor des Verfahrens, das derzeit die Anwendung auf kleine Gewebevolumina, oberflächliche Fluorophoranreicherungen und Kleintiere ohne Fell (beispielsweise Nacktmäuse) einschränkt. Die Streueffekte werden durch unterschiedliche Brechungsindizes von extra- und intrazellulären Strukturen hervorgerufen. Die Streuung der Photonen an den Zellmembranen und Zellorganellen ist eines der Hauptprobleme aller optischer bildgebender Verfahren. Durch die Entwicklung laufzeitselektiver Verfahren ist es mittlerweile möglich, die stark gestreuten Photonen von den weniger stark gestreuten Photonen für die Bildgebung abzutrennen.U. Haberland u. a.: Optische Tomographie: Neue bildgebende Verfahren in der Medizintechnik. In: Proceedings des Aachener Workshops am Institut für Medizinische Informatik und Biometrie der RWTH Aachen vom 8. und 9. November 1996 Weitere Vorteile des NIR-Bereiches sind die geringe Autofluoreszenz des Körpergewebes und die – im Vergleich zum Röntgen, der Computertomographie (CT) und den nuklearmedizinischen Verfahren Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) – gefahrlose Form der nichtionisierenden Strahlung.J. V. Frangioni: In vivo near-infrared fluorescence imaging. In: Curr Opin Chem Biol 7, 2003, S. 626–634. PMID 14580568 (Review)

Die Auflösung der Fluoreszenztomographie kann in Kleintieren im Idealfall bis herab in den Submillimeterbereich reichen.Y. Hama u. a.: In vivo spectral fluorescence imaging of submillimeter peritoneal cancer implants using a lectin-targeted optical agent. In: Neoplasia 8, 2006, S. 607–612. PMID 16867223, Die Eindringtiefe ist auf maximal etwa 50 mm begrenzt.V. Ntziachristos u. a.: Looking and listening to light: the evolution of whole-body photonic imaging. In: Nature Biotechnology 23, 2005, S. 313–320. PMID 15765087E. E. Graves u. a.: A submillimeter resolution fluorescence molecular imaging system for small animal imaging. In: Medical Physics 30, 2003, S. 901–911. PMID 12772999

Dem Versuchstier wird vor der Untersuchung ein Fluoreszenzmarker – meist intravenös – verabreicht. Der Vorgang der Farbstoffverteilung und Anreicherung im Zielgewebe kann zeitaufgelöst beobachtet werden. Der Körper des Tiers wird mit einer NIR-Lichtquelle bestrahlt. Dies ist in der Regel ein NIR-Laser, beispielsweise mit einer Emissionswellenlänge von 780 nm, der die Oberfläche des Tieres abtastet (scan). Mit einer NIR-Kamera, beispielsweise einer CMOS-Kamera mit entsprechendem Filter, wird das bestrahlte Objekt aufgenommen. Dabei erfasst die Kamera nur die emittierte längerwellige (Stokes-Shift) Infrarotstrahlung und nicht das durch das Filter absorbierte Licht des Lasers (Anregungsquelle). Von dem Tier können Aufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht werden. Dazu wird meist das Tier um die feststehende Kamera gedreht. In einem Datenverarbeitungssystem können die verschiedenen Aufnahmen zu einem 3D-Film zusammengesetzt werden. Darüber hinaus kann so das Volumen des mit dem NIR-Fluoreszenzfarbstoff markierten Gewebes – beispielsweise eines Tumors – quantitativ erfasst werden.

In vielen Fällen werden zur besseren Lokalisierung der Lage der Fluoreszenz auch noch Aufnahmen im sichtbaren Licht getätigt. Diese können dann zusammen mit den Fluoreszenzaufnahmen zu Fusionsbildern überlagert werden.

Fluoreszenzbiomarker Für die Fluoreszenztomographie werden meist Fluoreszenzbiomarker, bestehend aus einem Liganden und einem Fluorophor eingesetzt. In besonderen Fällen können auch nicht konjugierte Fluorophore als „Kontrastmittel“, beispielsweise in der Angiografie bei Verbrennungen, verwendet werden.L. P. Kamolz u. a.: Indocyanine green video angiographies help to identify burns requiring operation. In: Burns 29, 2003, S. 785–791. PMID 14636752 Mit Indocyaningrün (ICG) ist seit 1959 ein NIR-Fluoreszenzfarbstoff für die Anwendung als Diagnostikum im Menschen zugelassen. Jede Konjugation mit einem Liganden führt zu einer neuen nicht zugelassenen Substanz, einer new chemical entity (NCE). Es ist gegenwärtig kein konjugierter Fluoreszenzbiomarker für die Anwendung im Menschen zugelassen.

Liganden Als Liganden kommen prinzipiell die Verbindungen in Frage, die auch in der Nuklearmedizin verwendet werden. So können Peptide,S. Achilefu u. a.: Novel receptor-targeted fluorescent contrast agents for in vivo tumor targeting. In: Investigative Radiology 35, 2000, S. 479–485. PMID 10946975A. Becker u. a.: Receptor-targeted optical imaging of tumors with near-infrared fluorescent ligands. In: Nature Biotechnology 19, 2001, S. 327–331. PMID 11283589J. E. Bugaj u. a.: Novel fluorescent contrast agents for optical imaging of in vivo tumors based on a receptor-targeted dye-peptide conjugate platform. In: J Biomed Opt 6, 2001, S. 122–133. PMID 11375721 Proteine (beispielsweise monoklonale Antikörper oder deren Fragmente)S. Ke u. a.: Near-infrared optical imaging of epidermal growth factor receptor in breast cancer xenografts. In: Cancer Res 63, 2003, S. 7870–7875. PMID 14633715 oder AptamereJ. Zhang u. a.: Fluorescent quantum dot-labeled aptamer bioprobes specifically targeting mouse liver cancer cells. In: Talanta 81, 2010, S. 505–509. PMID 20188954Y. Wu u. a.: DNA aptamer-micelle as an efficient detection/delivery vehicle toward cancer cells. In: PNAS 107, 2010, S. 5–10. PMID 20080797T. Deng u. a.: A sensitive fluorescence anisotropy method for the direct detection of cancer cells in whole blood based on aptamer-conjugated near-infrared fluorescent nanoparticles. In: Biosens Bioelectron 25, 2010, S. 1587–1591. PMID 20022484 zur Konjugation mit einem Fluorophor für die Fluoreszenztomographie verwendet werden.

Fluorophore