Vom Gewebeschnitt zum 3D-Bild

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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 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 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.