Optoakustik

Mit Auge und Ohr Krankheiten auf der Spur

So wie Ärzte vergangener Jahrhunderte ihre Patienten durch Abklopfen untersuchten, soll es zukünftig wieder werden: nämlich mit den Augen und Ohren. Die ehemalige Perkussion heißt heute Optoakustik und ist eine der visionärsten Techniken in der Medizin.

Prof. Vasilis Ntziachristos
Prof. Vasilis Ntziachristos

Es geht dabei darum, durch ins Gewebe per Laser eingeleitete Lichtblitze (Optik) und die Signale der dadurch verursachten Schwingungen (Akustik) veränderte Zellen und damit Krankheiten im Körper zu erkennen. Auf Röntgenstrahlungen und invasive Untersuchungen kann verzichtet werden.

Vorreiter auf diesem Gebiet ist Professor Vasilis Ntziachristos, Lehrstuhlinhaber an der Technischen Universität München (TUM) und Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung am Münchner Helmholtz-Zentrum. Seine bahnbrechenden Forschungen lassen Krebspatienten hoffen, aber auch für Krankheiten wie Alzheimer und Diabetes sowie in der Dermatologie ergeben sich neue Diagnosewege.

Multispektrale optoakustische Tomografie (MSOT)

Die vom Laser erzeugten kurzen Lichtblitze, die in den Körper eindringen, werden je nach Art des Gewebes und der Wellenlänge der Laserimpulse unterschiedlich stark absorbiert. Dadurch und die damit einhergehende minimale Temperaturerhöhung dehnt sich das Gewebe. Diese minimalen Bewegungen erzeugen akustische Signale. Jedes Gewebe erzeugt dabei charakteristische und einzigartige Signale. Eine Blutzelle gibt beispielsweise ein anderes Signal als eine Hautzelle. Die unterschiedlichen Signale können von Ultraschalldetektoren an der Hautoberfläche erfasst werden. Ein Computer errechnet dann aus den akustischen Signalen ein dreidimensionales Bild. Somit lassen sich einzelne Zellen detektieren, beispielsweise Krebszellen. Das ist der große Unterschied zum Ultraschall, der eine solche Differenzierung nicht ermöglicht, wie Ntziachristos beschreibt. Am besten funktioniert die Multispektrale optoakustische Tomografie derzeit mit den sehr aggressiven Krebszellen des schwarzen Hautkrebses. Aber auch andere Zelltypen lassen sich anhand des Klangmusters unterscheiden. Chirurgen könnten dann bald schon während einer Tumoroperation kontrollieren, ob sie tatsächlich alle Krebszellen entfernen konnten. Was im Tierversuch schon geschafft wurde, wird nun auch bei Freiwilligen erprobt, da das Verfahren gänzlich unschädlich ist. Weitere klinische Studien in verschiedenen Anwendungsfeldern laufen derzeit, unter anderem bei Brust- und Schilddrüsenkrebs sowie peripherer Arteriosklerose.

Gemeinsam mit einem weiteren Experten für medizinische Bildgebung, Professor Dr. Daniel Razansky vom Helmholtz-Zentrum München, wird nun zur Darstellung der Bilder ein entsprechendes und vor allem bezahlbares Diagnosegerät für den klinischen Einsatz im OP entwickelt. Momentan kostet es noch um die 200000 Euro, Ntziachristos hält aber einen Preis von 50 Euro für realistisch. Dazu gründeten beide mit zwei weiteren Partnern 2011 das Spinn-off iThera Medical in München. Denn bis zum klinischen Einsatz und damit der Marktreife muss noch Einiges optimiert werden. Wozu es Geld braucht.

Auszeichnungen für visionäre Forschung

Da helfen natürlich die zahlreichen Auszeichnungen, die der studierte Elektroingenieur in den letzten Jahren erhielt. Nach dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft 2014 erhielt er letztes Jahr zum bereits zweiten Mal den ERC Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats. Die Fördersumme von 2,49 Millionen Euro wird über fünf Jahre ausgezahlt. Damit soll also nun ein tragbares Gerät entwickelt werden, das beim Menschen eingesetzt werden kann. Auf Nachfrage der EH nach der „Marktreife“ wollte man bei Helmholtz keine Angaben machen, da es sich ja immer noch um Forschung handelt.

Ntziachristos will bis zum Einsatz am Patienten einiges mehr erreichen. Denn noch hat die Optoakustik ihre Grenzen: Viel tiefer als vier bis fünf Zentimeter kommt man momentan nicht mit dem Laser, und auch der Schall verliert abhängig von der Gewebetiefe an Qualität. Untersuchungen der Leber beispielsweise sind damit kaum möglich.

Kollege Razansky spricht von der Ebene der Moleküle, die biochemischen Reaktionen der Zellen, die interessieren. Ziel der Forschung und Entwicklung ist für das Team auf jeden Fall, Krankheiten früher zu entdecken und klar verfolgen zu können. Das spart Zeit, verhilft dem jeweiligen Patienten zur Aussicht auf Heilung und trägt insgesamt zu verringerten Gesundheitskosten bei.

Die Pioniere in der Entwicklung der nichtinvasiven Bildgebung denken weiter. Auf die Frage von healthcare-in-europe.com, in welche Richtung die Entwicklung geht, ist von neuen interdisziplinären Wissensgebieten die Rede. Um zum Beispiel auch eine Anwendung in den Bereichen der Entzündungs- und Stoffwechsel-Diagnose sowie in der Neurologie zu ermöglichen, bewarben sie sich erfolgreich bei „Horizon 2020“, einem von der Europäischen Kommission ausgeschriebenen Förderprogramm für Forschung und Innovation, das bis 2020 laufen soll.

Profil
Das Forschungsgebiet von Prof. Vasilis Ntziachristos umfasst die Entwicklung neuartiger Verfahren und Geräte zur Biologischen und Medizinischen Bildgebung. Ntziachristos studierte zunächst Elektrotechnik an der Aristoteles Universität in Thessaloniki, Griechenland. Nach dem Diplom wechselte er an die Fakultät für Bioingenieurwesen der Universität Pennsylvania, wo er nach einem M.Sc. die Promotion abschloss. Er war Assistenzprofessor und Direktor des „Laboratory for Bio-Optics and Molecular Imaging“ an der Universität Harvard und dem Massachusetts General Hospital, bevor er im Jahr 2007 den Ruf an den Lehrstuhl für Biologische Bildgebung der TUM erhielt. Eng mit dem Lehrstuhl verknüpft ist das – ebenfalls von Prof. Ntziachristos geleitete – Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung am Helmholtz Zentrum München.

23.03.2017

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