Die Machbarkeit der multispektralen optoakustischen Tomographie bei verschiedenen Krankheiten (FOMO)

Die optoakustische Bildgebung ist eine neuartige Bildgebungsmethode, die auf dem optoakustischen Effekt basiert, der erstmals 1880 von Alexander Graham Bell beschrieben wurde. Wenn biologisches Gewebe mit einem ultrakurzen Laserpuls beleuchtet wird, absorbieren Gewebechromophore Laserlicht und bilden durch thermoelastische Ausdehnung Drucktransientenwellen. Diese optoakustischen oder photoakustischen Wellen können durch Breitband-Ultraschallwandler rund um das Gewebe erfasst werden. Die optoakustische Bildgebung ist einzigartig, da sie den optischen Kontrast auflöst, die Auflösung jedoch den Regeln der Ultraschallbeugung folgt; Die Streuung des Ultraschallsignals im Gewebe ist viel schwächer als bei optischen Signalen. Daher sind optoakustische Methoden unempfindlich gegenüber Photonenstreuung innerhalb biologischer Gewebe und bieten dadurch eine höhere räumliche Auflösung bei hoher Empfindlichkeit gegenüber Gewebelichtabsorption. Darüber hinaus erreicht es Eindringtiefen von bis zu mehreren Zentimetern und eignet sich daher für die Darstellung tieferer Gewebe im Körper. Es hat sich gezeigt, dass die optoakustische Bildgebung klinisch relevante Aspekte verschiedener Krankheiten untersucht, wie z. B. mehrere häufig vorkommende Krebsarten und entzündliche Darmerkrankungen.

Mehrere bildgebende Verfahren basieren auf der optoakustischen Bildgebung. Im Gegensatz zu anderen Arten der optoakustischen Bildgebung umfasst die multispektrale optoakustische Tomographie (MSOT) jedoch die Beleuchtung von Gewebe mit mehreren Wellenlängen. Aufgrund der hohen Pulsfrequenz des 9-Lasers können mehrere Wellenlängen in einem einzigen Bild identifiziert werden. Bilder können mit spektralen Entmischungsalgorithmen verarbeitet werden, um verschiedene Gewebechromophore wie Hämoglobin, Desoxyhämoglobin, Melanin und Fett aufzulösen, die alle ein ausgeprägtes Absorptionsspektrum oder eine „spektrale Signatur“ aufweisen. Dies bietet die Möglichkeit, ein Bild zu rekonstruieren, indem der Beitrag spezifischer Absorber, einschließlich endogener Gewebechromophore, unterschieden und quantifiziert wird.

Unterschiede in der Verteilung endogener Chromophore zwischen normalem und erkranktem Gewebe wurden ausführlich in präklinischen und klinischen optoakustischen Studien beschrieben. Da die Proliferation und Metastasenausbreitung bei bösartigen Tumoren stark von der Angiogenese abhängt, sind Unterschiede in der Hämoglobinkonzentration zwischen normalem Gewebe und Tumorgewebe ein bekanntes pathophysiologisches Phänomen. Eine abnormale Vaskularisierung, die zu einem lokalen Anstieg der Hämoglobinkonzentration führt, erzeugt einen starken optoakustischen Kontrast, wodurch die optoakustische Bildgebung geeignet ist zur Visualisierung von Angiogenese und Tumoren. Dieses Phänomen könnte zur Diagnose verschiedener bösartiger Tumoren genutzt werden, möglicherweise aber auch zur Überwachung des Krankheitsverlaufs nach der Behandlung. Beispielsweise wurden relevante Unterschiede zwischen der Hämoglobinverteilung in gutartigem und bösartigem Schilddrüsengewebe beobachtet und die Visualisierung von Brusttumoren mittels Otoakustik beschrieben.

Bei peripherer arterieller Verschlusskrankheit sind die Hämoglobinverteilung und die Plaqueeigenschaften äußerst relevante biologische Merkmale bei der Charakterisierung der Erkrankung. Heutzutage gelten bildgebende Verfahren wie die Röntgen-CT als Goldstandard, die eine erhebliche Strahlenbelastung für die Patienten darstellen. Die optoakustische Bildgebung bietet das Potenzial, beispielsweise die peripheren Arterien und die Halsschlagader sogar in einer 3D-Umgebung sichtbar zu machen. Die Identifizierung spezifischer Plaque-Eigenschaften wie Kollagen und Lipide wäre ein nächster Schritt vorwärts bei der Visualisierung der Plaque-Biologie und ihrer Beziehung zur Plaque-Ruptur. Dies ist Gegenstand eines bereits genehmigten MSOT-Protokolls, in das 5 Patienten aufgenommen wurden.

Da MSOT ein wachsendes Interesse an klinischen Untersuchungen verzeichnet, gab es technologische Entwicklungen, die Bildgebungssysteme ermöglichen, die für den klinischen Einsatz geeignet sind. Das MSOT Acuity Echo (iThera Medical GmbH), das wir im UMCG verwenden, ist für die klinische Forschung bestimmt und ähnelt in Form und Handhabung der klinischen Ultraschalltechnologie. Darüber hinaus ermöglicht es die zusätzliche Nutzung der Ultraschalluntersuchung (OPUS), sodass diese gleichzeitig anatomische, funktionelle und molekulare Informationen liefert. Das MSOT Acuity Echo liefert unmittelbares Feedback in Form von Livebildern.

Da mehrere Disziplinen (Chirurgie, Radiologie, Nuklearmedizin, Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Innere Medizin) an der Verwendung des Geräts interessiert sind, möchten wir die Möglichkeiten von MSOT für verschiedene Indikationen erkunden. Wir gehen davon aus, dass die Visualisierung von Gewebechromophoren mit MSOT zur Identifizierung molekularer Veränderungen im Zusammenhang mit der Krankheit (-progression) führen kann.