Dynamisch fokussierte photoakustische Mikroskopie der Angiogenese in vivo

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Gerhardt; Professor Jan Laufer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329389797

Die photoakustische (PA) Mikroskopie beruht auf der Erzeugung von Ultraschallwellen durch die Absorption von optischen Impulsen im Gewebe. Die Wellen propagieren zur Oberfläche, wo zeitlich aufgelöste PA Signale durch Druckwandler detektiert werden. Aus diesen Daten lassen sich hochaufgelöste 3-D Bilder des initialen Drucks erstellen, welche die räumliche Verteilung der Gewebechromophoren zeigen. Die PA Mikroskopie vereint eine Reihe von Attributen, wie z.B. Einzelzellauflösung und starker, absorptionsbasierter Kontrast in vaskularisiertem Weichgewebe. Unterschiede in den Farbstoffspektren, wie z.B. Oxy and Desoxyhämoglobin, ermöglichen quantitative und funktionelle Messungen, wie Blutsauerstoffsättigung, Fluß, und Hämoglobinkonzentration. Dies ermöglichte die Visualisierung die Änderung der Sauerstoffsättigung in progagierenden, roten Blutzellen in Kapillaren in vivo. Die PA Mikroskopie ermöglicht auch die Detektion von genetischen Reportern, wie fluoreszenten und photoschaltbaren Proteinen. Piezoelektrische Ultraschalldetektoren sind zwar am weitesten verbreitet, resultieren aber zugleich in Nachteilen, wie z.B. resonanter Frequenzgang und Lichtundurchlässigkeit. Die großen Abstände zwischen PA Quelle und Detektor wirken sich negativ auf die akustische Empfindlichkeit aus. Optische Fabry Pérot Interferometer (FPI) Sensoren zeichnen sich im Gegensatz dazu durch beugungslimitierte Elementgrößen, hohe Empfindlichkeit, flachen Frequenzgang, und optische Transparenz aus, womit sie ideal für den sog. backward mode, d.h. PA Anregung und Detektion auf einer Seite des Organismus, geeignet sind. Im Vergleich zu piezoelektrischen Detektoren ergeben sich zusätzliche Vorteile, wie z.B. minimale Abstände zwischen Quelle und Detektor, sowie geringe akustische Impedanzunterschiede. Dadurch sind starke Verbesserungen in der akustischen Empfindlichkeit sowie der quantitativen, mikroskopischen Bildgebung möglich. Dieses Projekt hat zum Ziel, 1) FPI Technologie und Sensorenauslesung sowie 2) Methoden für die quantitative und funktionelle in vivo PA Mikroskopie der Angiogenese zu entwickeln. Die in Teilprojekt 1) entwickelten Technologien werden die dynamische Fokussierung der akustischen Detektion ermöglichen, d.h. die Kombination der acoustic resolution PA microscopy und optical resolution PA microscopy in einem Instrument. Die dynamisch fokussierbare PA Mikroskopie wird mit optischen Mikroskopietechnologien (Konfokal und Multiphotonenmikroskopie) kombiniert. In Teilprojekt 2) werden Methoden für die multispektrale PA Mikroskopie entwickelt, um die Visualisierung von Blutfluß und Sauerstoffsättigung, sowie photoschaltbaren Reporterproteinen zu erreichen. Diese Methoden werden eine simultane funktionelle und molekulare Mikroskopie von wachsenden Blutgefäßen im lebenden Organismus ermöglichen, um damit z.B. die Auswirkung des Blutflusses und der Blutsauerstoffsättigung auf die Aktivität der Epithelzellen während der Angiogenese zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Dr. Robert Nuster