Optoakustische molekulare Bildgebung

Abstract

Die optoakustische molekulare Bildgebung bietet die Möglichkeit biologische Markermoleküle in-vivo mit hoher Empfindlichkeit zu lokalisieren. Um die Optoakustik im Hinblick auf ihren präklinischen und klinischen Einsatz weiterzuentwickeln, wurden in der vorliegenden Arbeit Methoden zur Optimierung der Sensitivität und der Spezifizität untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Simulationsprogramm für die Vorhersage von Frequenzen optoakustischer Signale entwickelt, um Daten mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) durch den Einsatz von spektral abgestimmten Wandlern aufnehmen zu können. Darüber hinaus konnten das SRV und die Auflösung von optoakustischen Bildern durch die Entwicklung von angepassten Beamforming-Algorithmen signifikant verbessert werden. Im Rahmen der Untersuchungen zur Spezifizität wurden verschiedene Nanopartikel synthetisiert und in Bezug auf ihr Kontrastpotenzial verglichen. Des Weiteren wurden Methoden zur Kopplung von biologischen Liganden evaluiert und an einem Modellsystem aus Gold-Nanoshells und dem Antikörper Trastuzumab validiert. In ersten in-vivo Versuchen wurde schließlich die Machbarkeit der optoakustischen Darstellung von subkutanen Blutgefäßen in Echtzeit gezeigt. Ein Nachweisexperiment zur Machbarkeit der molekularen optoakustischen Bildgebung, bei dem die spezifische Kontrasterhöhung in arthritischen Kniegelenken durch die Injektion von antikörpermarkierten Goldnanorods gezeigt wurde, konnte ebenfalls erfolgreich in-vivo am Mausmodell durchgeführt werden.

Optoacoustic molecular imaging can provide spatially resolved information about the presence of molecular markers in-vivo with high sensitivity. For further development of optoacoustic imaging towards a preclinical and clinical use, different methods for the enhancement of its sensitivity and specificity were investigated in this thesis. A simulation tool for the prediction of the frequency of optoacoustic signals was developed in order to be able to use spectrally matched transducers allowing data acquisition with optimized signal-to-noise ratio (SNR). Further, newly developed reconstruction and filter algorithms could enhance the SNR and the resolution of optoacoustic images significantly. Beyond that, different nanoparticle types were synthesized and compared with respect to their suitability as contrast agents. The synthesis was further optimized in terms of the particle's near-infrared absorption properties. In addition, different methods for binding biological targeting agents were developed and verified using a model system based on gold nanoshells and the monoclonal antibody Trastuzumab. First in-vivo trials for realtime optoacoustic imaging of subcutaneous blood vessels were performed successfully. Furthermore, a proof-of-concept experiment for validation of optoacoustic molecular imaging in which a specific contrast enhancement in arthritic mouse knee joints could be shown after intravenous injection of antibody modified gold nanorods was conducted.