Auf der Spur winzigster Tumoren

MÜNCHEN. Physiker der LMU München, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der TU München haben ein Verfahren aus lasergenerierter Röntgenstrahlung und Phasenkontrast-Röntgentomographie entwickelt, mit dem sie Weichteil-Strukturen in Organismen dreidimensional darstellen (Nature Communications 2015; online 20. Juli).

Mit der lichtgetriebenen Strahlung in Kombination mit der Phasenkontrast-Röntgentomographie machten die Wissenschaftler feinste Details einer nur wenige Millimeter großen Fliege sichtbar. Bis heute werde eine vergleichbare Strahlung in kilometergroßen, teuren Ringbeschleunigern erzeugt, teilt das Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) mit.

Das lasergetriebene System in Kombination mit der Phasenkontrast- Röntgentomographie zur Darstellung von Weichteilen beanspruche gerade mal ein Universitätslabor.

In künftigen medizinischen Anwendungen könnte das neue Bildgebungsverfahren damit kostengünstiger und platzsparender als heutige Technologien zum Einsatz kommen.

Die dazu notwendigen Röntgenstrahlen wurden über Elektronen erzeugt, die von rund 25 Femtosekunden langen Laserpulsen auf einer Strecke von rund einem Zentimeter fast bis auf Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden. Eine Femtosekunde dauert ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Die Laserpulse hatten eine Leistung von rund 80 Terawatt.

Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk verfügt über 1500 Megawatt.Zunächst pflügt der Laserpuls durch ein Plasma, bestehend aus positiv geladenen Atomrümpfen und deren Elektronen, wie ein Schiff durchs Wasser und erzeugt dabei eine Kielwelle, die aus schwingenden Elektronen besteht.

Diese Elektronenwelle zieht eine wellenförmig elektrische Feldstruktur nach sich, auf der Elektronen surfen und dadurch beschleunigt werden. Dabei kommen die Teilchen ins Schlingern und emittieren Röntgenstrahlung. Jeder Lichtpuls erzeugt einen Röntgenpuls.

Strahlung räumlich kohärent

Die erzeugte Röntgenstrahlung hat spezielle Eigenschaften: Sie hat eine Wellenlänge von rund 0,1 Nanometer, eine Dauer von nur ca. fünf Femtosekunden und ist räumlich kohärent, das heißt, sie scheint von einem Punkt auszugehen.

Die lasergetriebene Röntgenstrahlung kombinierten die Forscher erstmals mit dem Phasenkontrast-Bildgebungsverfahren des Teams von Professor Franz Pfeiffer von der TU- München. Dabei nutzt man, im Gegensatz zur üblichen Absorption, die Brechung der Strahlung an Objekten, um deren Form exakt abzubilden.

So wird auch weiches Gewebe sichtbar. Damit dies funktioniert, ist die oben erwähnte räumliche Kohärenz Voraussetzung. Mit dem lasergestützten Bildgebungsverfahren seien die Forscher in der Lage, Strukturen von etwa 1 / 10 bis 1 / 100 des Durchmessers eines menschlichen Haares sichtbar zu machen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit dreidimensionale Abbildungen eines Objekts zu erschaffen und so quasi in dessen Körper einzutauchen.

Denn nach jedem Röntgenstrahlungspuls, also nach jedem Einzelbild, kann das zu untersuchende Objekt ein Stück gedreht werden. So entstanden beispielsweise von der Fliege rund 1500 Einzelbilder, die dann zu einem 3D-Datensatz zusammengesetzt werden konnten.

Aufgrund der Kürze der Röntgenpulse kann diese Technik in Zukunft auch ultraschnelle Vorgänge auf der Femtosekunden-Zeitskala, wie sie etwa in Molekülen vorkommen, erschließen, quasi also durch Belichtung mit einem Femtosekunden-Blitzlicht.Vor allem aber interessant wird die Technologie für medizinische Anwendungen, heißt es in der Mitteilung des MAP.

Die Technik könne Unterschiede in der Dichte von Gewebe sichtbar machen. Tumorgewebe etwa haben eine geringere Dichte als gesundes Gewebe. Damit bietet das Verfahren eine gute Perspektive Tumore, die kleiner als ein Millimeter sind, lokal in ihrem Frühstadium aufzuspüren, bevor sie in den Körper streuen.

Dazu müssten die Forscher jedoch die Wellenlänge der Röntgenstrahlung noch weiter verkürzen, um dickere Gewebeschichten als bisher durchdringen zu können, so das MAP. (eb)