Fluoreszenztomographie

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 26. Oktober 2017
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Die Fluoreszenztomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches hauptsächlich in der In-vivo-Diagnostik verwendet wird. Sie basiert auf der Anwendung von fluoreszierenden Farbstoffen, die als Biomarker dienen. Das Verfahren findet heute meist in der Forschung oder in pränatalen Studien Anwendung.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Fluoreszenztomographie?

Die Fluoreszenztomographie erfasst und quantifiziert die dreidimensionale Verteilung von fluoreszierenden Biomarkern in biologischen Geweben. Die sogenannten Fluorophoren, also die fluoreszierenden Substanzen, absorbieren zunächst elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarot-Bereich. Danach senden sie wieder Strahlung in einem etwas niedrigeren Energiezustand ab. Dieses Verhalten der Biomoleküle wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Die Absorption und Emission findet im Wellenlängenbereich zwischen 700 - 900 nm des elektromagnetischen Spektrums statt. Als Fluorophore werden meist Polymethine eingesetzt. Das sind Farbstoffe, die im Molekül konjugierende Elektronenpaare besitzen und dadurch in der Lage sind, zur Anregung der Elektronen Photonen aufzunehmen. Unter Lichtabgabe und Wärmebildung wird diese Energie wieder abgegeben.

Während der fluoreszierende Farbstoff leuchtet, kann seine Verteilung im Körper bildlich dargestellt werden. Fluorophore werden wie die Kontrastmittel bei anderen bildgebenden Verfahren eingesetzt. Dabei können sie je nach Anwendungsgebiet intravenös oder oral appliziert werden. Die Fluoreszenztomographie ist auch zur Anwendung für die Molekulare Bildgebung geeignet.

Funktion, Wirkung & Ziele

Die Anwendung der Fluoreszenztomographie findet üblicherweise im Nahinfrarotbereich statt, weil das kurzwellige Infrarotlicht das Körpergewebe gut durchqueren kann. Lediglich Wasser und Hämoglobin sind in diesem Wellenlängenbereich in der Lage, Strahlung zu absorbieren. In einem typischen Gewebe ist Hämoglobin für ca. 34 bis 64 Prozent der Absorption verantwortlich. Daher ist es für dieses Verfahren der bestimmende Faktor.

Es besteht ein spektrales Fenster im Bereich von 700 bis 900 Nanometer. In diesem Wellenlängenbereich liegt auch die Strahlung der Fluoreszenzfarbstoffe. Daher kann das kurzwellige Infrarotlicht biologisches Gewebe gut durchdringen. Die Restabsorption und die Streuung der Strahlung sind begrenzende Faktoren des Verfahrens, sodass seine Anwendung auf kleine Gewebevolumina beschränkt bleibt. Als Fluorophore werden heute hauptsächlich Fluoreszenz-Farbstoffe aus der Gruppe der Polymethine verwendet. Da diese Farbstoffe jedoch bei Belichtung langsam zerstört werden, ist ihre Anwendung erheblich eingeschränkt. Als Alternative bieten sich Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien an.

Das sind Nanokörper, die aber Selen, Arsen und Kadmium enthalten können, sodass ihre Anwendung beim Menschen prinzipiell ausgeschlossen werden muss. Als Liganden fungieren Proteine, Oligonukleide oder Peptide zur Konjugation mit den Fluoreszenzfarbstoffen. In Ausnahmefällen sind auch nicht-konjugierte Fluoreszenzfarbstoffe im Einsatz. So wird der Fluoreszenzfarbstoff "Indocyaningrün" beim Menschen seit 1959 als Kontrastmittel bei der Angiografie verwendet. Konjugierte Fluoreszenzbiomarker sind beim Menschen derzeit nicht zugelassen. Zur Anwendungsforschung für die Fluoreszenztomographie werden daher heute nur Tierversuche vorgenommen.

Die Fluoreszenztomographie erfasst und quantifiziert die dreidimensionale Verteilung von fluoreszierenden Biomarkern in biologischen Geweben. Abbildung zeigt Injektion des Biomarkers.

Dabei wird der Fluoreszenzbiomarker intravenös appliziert und anschließend die Farbstoffverteilung und ihre Anreicherung im zu untersuchenden Gewebe zeitaufgelöst untersucht. Mit einem NIR-Laser wird die Körperoberfläche des Tiers abgescannt. Dabei nimmt eine Kamera die vom Fluoreszenzbiomarker emittierte Strahlung auf und setzt die Bilder zu einem 3D-Film zusammen. So kann der Weg der Biomarker verfolgt werden. Gleichzeitig kann auch das Volumen des markierten Gewebes erfasst werden, sodass eine Abschätzung darüber möglich wird, ob es sich eventuell um Tumorgewebe handelt. Heute findet die Fluoreszenztomographie also einen vielseitigen Einsatz in präklinischen Studien. Intensiv wird aber auch an Einsatzmöglichkeiten in der humanen Diagnostik gearbeitet.

Dabei bildet die Forschung für ihre Anwendung in der Krebsdiagnostik, speziell für den Brustkrebs, eine herausragende Rolle. So wird davon ausgegangen, dass die Fluoreszenzmammagrafie das Potenzial für ein kostengünstiges und schnelles Screeningverfahren bei Brustkrebs hat. Bereits im Jahre 2000 stellte die Schering AG ein modifiziertes Indocyaningrün als Kontrastmittel für dieses Verfahren vor. Eine Zulassung liegt jedoch bis heute nicht vor. Auch eine Anwendung zur Kontrolle des Lymphflusses wird diskutiert. Ein weiteres potenzielles Anwendungsgebiet wäre der Einsatz des Verfahrens für die Risikoabschätzung bei Krebspatienten. Ein großes Potenzial besitzt die Fluoreszenztomographie auch für die Früherkennung einer rheumatoiden Arthritis.

Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren

Die Fluoreszenztomographie verfügt gegenüber einigen anderen bildgebenden Verfahren über mehrere Vorteile. Es ist ein hochsensitives Verfahren, bei dem bereits kleinste Mengen des Fluorophors zur Bildgebung ausreichen. So ist ihre Sensitivität mit den nuklearmedizinischen Verfahren PET (Positronen-Emissions-Tomographie) und SPECT (Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie) zu vergleichen.

In dieser Hinsicht ist sie der MRT (Magnetresonanztomographie) sogar überlegen. Des Weiteren ist die Fluoreszenztomographie ein sehr preiswertes Verfahren. Das betrifft sowohl die Geräteinvestition und den Gerätebetrieb als auch die Durchführung der Untersuchung. Außerdem findet keine Strahlenbelastung statt. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass durch die hohen Streuverluste mit zunehmender Körpertiefe die Ortsauflösung drastisch abnimmt. Deshalb können nur kleine Gewebeoberflächen untersucht werden. Beim Menschen lassen sich zurzeit die inneren Organe nicht gut darstellen. Es gibt jedoch Versuche, die Streueffekte durch die Entwicklung laufzeitselektiver Verfahren einzuschränken.

Dabei werden die stark gestreuten Photonen von den nur gering gestreuten Photonen getrennt. Noch ist dieses Verfahren nicht ausgereift. Weiterer Forschungsbedarf ergibt sich auch bei der Entwicklung eines geeigneten Fluoreszenzbiomarkers. Die bisherigen Fluoreszenzbiomarker sind für den Menschen nicht zugelassen. Die derzeit verwendeten Farbstoffe werden durch Lichteinwirkung abgebaut, was einen erheblichen Nachteil für ihren Einsatz bedeutet. Mögliche Alternativen stellen sogenannte Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien dar. Aufgrund ihres Gehaltes an giftigen Stoffen, wie Kadmium oder Arsen, sind sie für den Einsatz der In-vivo-Diagnostik beim Menschen jedoch nicht geeignet.

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Quellen

  • Bücheler, E., et al.: Einführung in die Radiologie: Diagnostik und Interventionen. Thieme, Stuttgart 2006
  • Prokop, M. et al.: Ganzkörper-Computertomographie. Thieme, Stuttgart 2013
  • Wetzke, M. et. al.: Bildgebende Verfahren. Urban & Fischer, München 2012

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