Hochauflösende optoakustische Bildgebung

Abstract

Die Optoakustik stellt ein innovatives Verfahren dar, welches die Vorteile zweier bildgebender Modalitäten kombiniert. Um die optoakustische Technologie im Hinblick auf ihren präklinischen und klinischen Einsatz weiterzuentwickeln, wurden in der vorliegenden Arbeit zwei Systeme zur hochauflösenden in-vitro sowie in-vivo Bildgebung entwickelt und aufgebaut: Zur Gewinnung genauerer Kenntnisse über die Wirkungsmechanismen von nanoskaligen Biomarkern für die makroskopisch angestrebte Kontrasterhöhung wurde eine konfokale Mikroskopieplattform für in-vitro Untersuchungen auf Einzelzellebene aufgebaut, die eine Auflösung von wenigen µm erreicht. Mit diesem System gelang der optoakustische Nachweis der spezifischen Bindung von Chlorotoxin funktionalisierten Gold-Nanopartikeln an einer Glioblastom-Zelllinie. Daneben wurde ein in-vivo einsetzbares optoakustisches Diagnosesystem entwickelt. Die zunächst konzeptionell vorherrschende tiefenabhängige Auflösung konnte mittels synthetischer Fokussierungstechniken und Filteralgorithmen optimiert werden, wodurch die Empfindlichkeit sowie die laterale Auflösung deutlich verbessert und die Punktantwort tiefenunabhängig auf weniger als 100 µm reduziert wurde. Am Mausmodell wurde die Machbarkeit der optoakustischen Darstellung eines subkutanen Tumors in-vivo erfolgreich nachgewiesen. Des Weiteren erfolgten erste in-vivo Versuche an Probanden zur hochaufgelösten und kontrastreichen Darstellung der subkutane Mikrovaskularisierung der menschlichen Haut.

Optoacoustic imaging is an innovative technique that combines the advantages of two modalities. In order to improve optoacoustics with respect to preclinical and clinical use, in the presented work two systems for high-resolution in-vitro and in-vivo imaging have been developed and built up: To obtain better knowledge about the mechanisms of action of nanoscaled biomarkers for the macroscopic contrast enhancement, a confocal microscopy platform for in-vitro diagnostics on a single cell level with a resolution of a few microns was set up. This system was used for optoacoustic visualization of the specific binding of chlorotoxin functionalized gold nanoparticles on a glioblastoma cell line. On the other hand, an in-vivo optoacoustic diagnostic system was developed. To enhance the depth-dependent resolution of the developed in-vivo system, synthetic aperture focusing techniques and filter algorithms have been optimized for the optoacoustic imaging. As a result, the sensitivity as well as the lateral resolution was improved and the point-spread-function could be reduced independent of depth to less than 100 microns. A proof of concept experiment for optoacoustic imaging of a subcutaneous tumor has been successfully performed in-vivo in a mouse model. Furthermore, first in-vivo tests on volunteers have shown the suitability of optoacoustics for high contrast and high resolution imaging of the subcutaneous microvascularisation in human skin.