Histologische Gewebeschnitte gehören zum medizinischen Alltag. Mit Hilfe von Farbstoffen machen sie Gewebestrukturen und krankhafte Veränderungen sichtbar. Allerdings erfordert das Verfahren aufwendige Arbeitsschritte und lässt nur zweidimensionale Einblicke in das Gewebe zu. Ein internationales Team mit maßgeblicher Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Hereon hat nun eine zerstörungsfreie Methode entwickelt, die Farbstoffe mit 3D-Röntgenbildgebung verbindet. Mit einem neuen Algorithmus lassen sich Gewebe und Farbstoff getrennt in 3D darstellen und quantitativ erfassen – was neue Möglichkeiten für Forschung und Medizin verspricht. Die Arbeitsgruppe stellt ihre Studie im Fachmagazin Advanced Science vor.
Die Histologie zählt zu den Grundlagen der modernen Diagnostik. Wenn Ärztinnen und Ärzte wissen wollen, ob ein Gewebe krankhaft verändert ist, greifen sie zur mikroskopischen Gewebeanalyse. Dazu schneiden sie das Gewebe in hauchdünne Schnitte, färben es mit speziellen Farbstoffen ein und betrachten es unter dem Lichtmikroskop. Dadurch lässt sich zum Beispiel erkennen, ob und welche Art von Tumor vorliegt, sodass Therapieentscheidungen getroffen werden können. Außerdem beurteilen Medizinerinnen und Mediziner teils während der OP, ob sie das veränderte Gewebe schon vollständig entfernt haben oder noch weiter operieren müssen.
Doch das Verfahren ist aufwendig: Das Gewebe muss entweder gefroren oder fixiert und in Wachs eingebettet, geschnitten und eingefärbt werden – ein zeitintensiver Prozess, der die Probe in viele Scheiben zerteilt und so den räumlichen Zusammenhang auseinanderreißt. „Man kann sich das Gewebe nicht im 3D-Kontext ansehen, um beispielsweise zu verstehen, wie Blutgefäße verlaufen oder wo der Tumor endet“, erläutert Dominik John, Erstautor der Studie und Forscher an der Technischen Universität München School of Natural Sciences und am Hereon-Institut für Werkstoffphysik.
Deshalb arbeitet die Fachwelt an der sogenannten virtuellen Histologie – an 3D-Röntgenbildern mit mikrometergroßer Auflösung. Denn anders als sichtbares Licht durchdringen Röntgenstrahlen zentimeterdicke Proben und liefern Daten über das gesamte Volumen. Anstatt nur Aufnahmen von wenigen Gewebestellen zu sehen, lässt sich jede beliebige Stelle aus allen möglichen Richtungen betrachten. Doch ein Problem blieb ungelöst: Röntgenbilder sind schwarz-weiß. Deshalb ließen sich die Farbstoffe, die in der klassischen Histologie Zellkerne oder bestimmte Gewebetypen farbig markieren, im Röntgenbild nicht vom umgebenden Gewebe unterscheiden.
Röntgen mit Farbinformation
Hier setzt die innovative Methode an, die John gemeinsam mit einem internationalen Team von Forschenden aus Hamburg, München und Melbourne entwickelte. Der Ansatz kombiniert die hochauflösende Röntgen-Computertomografie mit einem speziellen Phasenkontrast-Verfahren und einem neuen Auswertealgorithmus. Dieser nutzt zwei Messgrößen gleichzeitig – wie stark das Gewebe die Röntgenstrahlen abschwächt und wie sehr es sie bricht. Letzteres wird durch ein feines Gitter im Röntgenstrahl sichtbar, was ein Punktmuster auf die Probe projiziert. „Dadurch kann das Verfahren zwei getrennte dreidimensionale Bilder berechnen“, erklärt John. „Das eine zeigt ausschließlich das Gewebe, das andere nur den Farbstoff.“
Als Demonstration untersuchten die Forschenden Nieren von Mäusen und Ratten, die sie mit dem Farbstoff Hämatein behandelten. Am Farbstoff hing zusätzlich ein Bleiatom, um für starken Röntgenkontrast zu sorgen. Die Proben untersuchte das Team an den Röntgenstrahlungsquellen PETRA III am DESY in Hamburg und am Australian Synchrotron in Melbourne. Das Ergebnis: Die Methode zeigt nicht nur, wo sich der Farbstoff befindet – sie misst auch dessen Menge. „Wir können für jeden Bereich der Gewebeprobe die genaue Farbstoff-Konzentration angeben“, sagt John. „Das ist eine wertvolle Information für die Forschung.“ Um ihre Röntgenaufnahmen mit konventionellen Bildern zu vergleichen, fertigte das Team histologische Schnitte aus derselben Probe an – und fand eine gute Übereinstimmung.
Noch ist die Methode aufwendig, weil sie an große Forschungsgeräte gebunden ist. Deshalb wollen sie die Fachleute mithilfe moderner Labor-Röntgenquellen zugänglicher machen. „Zunächst könnte es als Tool für die Wissenschaft dienen, etwa für die Krebsforschung“, sagt Dominik John. „Doch ließe sich die Auflösung verbessern, wäre das auch für die klinische Diagnostik spannend.“ In der Medizin ließe sich krankes Gewebe vollständig im räumlichen Zusammenhang analysieren, etwa um Tumorausbreitung, Vollständigkeit der operativen Entfernung oder Therapieeffekte besser beurteilen zu können. Aus Patientensicht wäre das ein spürbarer Gewinn: präzisere Diagnosen, besser begründete Therapieentscheidungen und möglicherweise weniger invasive Eingriffe.
German Engineering Materials Science Centre (GEMS)
Das German Engineering Materials Science Centre (GEMS) ist die zentrale Nutzerplattform des Hereon-Instituts für Werkstoffphysik mit einer weltweit einzigartigen Infrastruktur für die komplementäre Forschung mit Photonen und Neutronen. Die Instrumente, die Synchrotronstrahlung verwenden, werden an der Außenstelle am Deutschen Elektronen Synchrotron DESY in Hamburg betrieben, die Instrumente, die Neutronen nutzen, befinden sich an der Außenstelle am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum MLZ am Forschungsreaktor FRM II in Garching bei München.
Spitzenforschung für eine Welt im Wandel
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
Publikation
Dominik John, David M. Paganin, Marie-Christine Zdora, Lisa Marie Petzold, Patrick Ilg, Junan Chen, Sara Baggio, Johannes B. Thalhammer, Sami Wirtensohn, Julian Moosmann, Jörg U. Hammel, Felix Beckmann, Samantha J. Alloo, Jannis N. Ahlers, Madleen Busse, Julia Herzen, Kaye S. Morgan. Quantitative Stain Mapping in X-Ray Virtual Histology. Advanced Science. doi: 10.1002/advs.202519783
Kontakt zum Artikel
Prof. Julia Herzen
Professur für Physik der Biomedizinischen Bildgebung
TUM School of Natural Sciences
julia.herzen(at)tum.de
Dominik John
Hereon-Institut für Werkstoffphysik
dominik.john(at)hereon.de
Pressekontakt
Christoph Wöhrle
Hereon Kommunikation und Medien
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christoph.woehrle(at)hereon.de
Originalartikel: https://www.hereon.de/communication_media/news/120025/index.php.de