Man stelle sich eine Kamera vor, die so leistungsstark ist, dass sie zerstört, was sie fotografiert. Genau das ist die Realität bei der Erforschung von Krankheiten auf mikroskopischer Ebene: Die intensive Röntgenstrahlung, die für hochauflösende 3D-Bilder benötigt wird, schädigt genau das Gewebe, das Forschende untersuchen möchten. Die meisten biologischen Proben müssen daher chemisch verändert werden, um die Untersuchung zu überstehen – mit der Folge, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Gewebe häufig nicht in der Form betrachten können, in der es ursprünglich im Körper vorlag.

Zu den Co-autorinnen und Co-autoren einer neuen Studie, die in Optica veröffentlicht wurde, gehören Mitglieder der Forschungsgruppe Biomedical Imaging Physics (Prof. Julia Herzen) an der Technische Universität München (TUM), School of Natural Sciences. Die Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Prof. Tim Salditt an der Universität Göttingen und Prof. Marina Eckermann an der Universität Bern. Gemeinsam entwickelten die Teams einen neuen Versuchsaufbau, der nahezu jede Information aus dem Röntgenstrahl herausholt: Fast jedes einzelne Photon wird detektiert, und der optische Kontrast wird bis nahe an seine physikalische Grenze ausgereizt. Dadurch kann die gleiche Bildqualität mit einem Bruchteil der Strahlendosis erreicht werden – bei gleichzeitiger Erfassung von drei komplementären Informationsarten in einem einzigen Scan. Das Ergebnis ist ein hochauflösendes Bildgebungsverfahren, das schonend genug ist, um empfindliches biologisches Gewebe ohne chemische Fixierung zu untersuchen.

Laut Erstautor und Doktorand Dominik John ist dies „ein wichtiger Schritt hin zur Abbildung biologischer Proben näher an ihrem natürlichen Zustand, was die Erforschung von Krankheitsmechanismen und die Entwicklung diagnostischer Ansätze grundlegend verändern könnte“.

Das TUM-Forschungsteam arbeitet mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrum Hereon sowie mit Kolleginnen und Kollegen in Deutschland, Italien und der Schweiz zusammen. Nach Angaben des Teams könnte die gesteigerte Effizienz der Methode den Fortschritt in mehreren Bereichen beschleunigen. In der Medizin könnte sie eine frühere Erkennung mikrostruktureller Veränderungen im Gewebe ermöglichen. In industriellen Anwendungen verspricht sie eine präzisere Prüfung von Bauteilen, bei denen selbst mikroskopisch kleine Defekte gravierende Auswirkungen haben können.

Dieser Durchbruch unterstreicht die rasante Entwicklung der Röntgen-Phasenbildgebung und verdeutlicht die wachsende Bedeutung hocheffizienter tomographischer Werkzeuge – sowohl für die wissenschaftliche Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen. Prof. Herzen betont, dass die Arbeit „ein wichtiger Schritt hin zu einer schnelleren, zugänglicheren und zuverlässigeren fortgeschrittenen 3D-Bildgebung“ sei.

Publikation

Dominik John, Gregor Breitenhuber, Sami Wirtensohn, Franziska Hinterdobler, Luka Gaetani, Sara Savatović, Jens Lucht, Markus Osterhoff, Marina Eckermann, Tim Salditt und Julia Herzen. Near-perfect efficiency in X-ray phase microtomography. Optica. doi: 10.1364/OPTICA.584432 

Funding

ERC Consolidator Grant (DEPICT, PE3, 101125761), EIC Pathfinder (1MICRON, 101186826)

Weitere Informationen und Links

• Gruppe von Prof. Tim Salditt, Georg-August-Universität Göttingen: https://www.uni-goettingen.de/en/563229.html
• Gruppe von Prof. Marina Eckermann, Universität Bern: https://www.iap.unibe.ch/research/biomedical_photonics/biomedical_x_ray_physics/index_eng.html
• Helmholtz-Zentrum Hereon https://www.hereon.de/
• DESY Forschungszentrum https://desy.de/index_ger.html
• Friedrich-Naumann-Stiftung für die Freiheit https://www.freiheit.org/
• Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) https://www.bmftr.bund.de/DE/Home/home_node.html

Kontakt zum Artikel

Prof. Julia Herzen
Technische Universität München
TUM School of Natural Sciences
Professorin für Biomedical Imaging Physics
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