Lehrstuhl für Medizintechnik

Verbesserung der Diagnose und Therapie von Krebserkrankungen mit Ultraschall

Zwei Projekte des zmb.RUHR haben die Verbesserung der Früherkennung bösartiger Tumore und ihre effektivere Behandlung durch den Einsatz von Mikrobläschen-Technologie zum Ziel.

Die Krebsfrüherkennung wird sich in Zukunft immer stärker auf Ergebnisse aus der molekularbiologischen Forschung stützen: Krebszellen bilden an ihrer Oberfläche und im versorgenden Gefäßsystem charakteristische Moleküle, zum Beispiel solche, die eine für das Tumorwachstum notwendige Gefäßneubildung anregen. Der Nachweis dieser Moleküle kann nun dadurch gelingen, dass ein Bindungsmolekül, das an den tumorspezifischen Molekülen anhaftet, mit einem von außen nachweisbaren Signalgeber (Sonde) verbunden wird. Dieses Vorgehen wird häufig als „Molekulare Bildgebung” bezeichnet.

Für jede Abbildungsmethode kommen bestimmte Sonden zum Einsatz. Für die Ultraschallbildgebung, die in den Projekten im Vordergrund steht, sind dies gasgefüllte Mikrobläschen, die kleiner als rote Blutkörperchen sind. Sie sind so empfindlich nachweisbar, dass bereits einzelne Mikrobläschen detektiert werden können.

Microblasen

Ein weiterer Vorteil der Mikrobläschen-Technologie ist die mechanische Wirkung des Ultraschalls auf die Bläschen: Sie werden durch die Ultraschallwellen verformt und können auch bei ungefährlichen Intensitäten zerteilt werden. Dies ermöglicht Medikamente in den Mikrobläschen zu transportieren, ihre Anreicherung am gewünschten Ort zu beobachten und das Medikament anschließend in hoher Dosis gezielt freizusetzen.

Zusätzlich kann die mechanische Beanspruchung der Zellwände durch die Mikrobläschen zu einer vorübergehenden Öffnung der Zellmembran führen (Sonoporation). Die Zelle ist für die zeit weniger Minuten für Therapiemethoden zugänglicher und kann Wirksubstanzen aufnehmen, die sonst abgewehrt würden.

Ein Nachteil der Mikrobläschen ist allerdings ihre Beschränkung auf das Gefäßsystem und die von dort aus zugänglichen Zellen. Daher besteht großes Interesse daran, Nanopartikel als Signalgeber zu verwenden, die jenseits des Gefäßsystems transportiert werden. Mit konventionellem Ultraschall sind diese Partikel, die tausendmal kleiner sind als Mikrobläschen, jedoch nicht abzubilden. Es besteht aber die Möglichkeit, diese Partikel durch einen kurzen Laserpuls im Nahinfrarotbereich zur Schallemission anzuregen und diese mit speziellen Ultraschallsystemen abzubilden (Photoakustik). Für die Umsetzung dieses Konzeptes mit kostengünstigen Diodenlasern und speziellen Anregungssequenzen für die Brustkrebsfrüherkennung erhielten die am zmb.RUHR beteiligten Forscher des Kompetenzzentrums Medizintechnik Ruhr den Innovationspreis Medizintechnik 2006 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Das Projekt zum Kontrastmittel-Ultraschall beschäftigt sich mit der Optimierung der Bildgebung im präklinischen Bereich, da die Entwicklung der molekularen Bildgebung zunächst Forschung an Tumormodellen benötigt, bevor sie für den Menschen zugelassen werden kann. Hierbei kommt es vor allem auf eine hohe Auflösung der eingesetzten bildgebenden Ultraschallgeräte und auf einen empfindliche Nachweismethode für die Mikrobläschen an. Zugleich sollen grundlegende Ergebnisse für die photoakustische Bildgebung von Nanopartikeln durch einen flexiblen optischen Arbeitsplatz ermöglicht werden.

Im Projekt zur Therapieunterstützung werden experimentelle Therapieapplikatoren entwickelt und Systeme zur optisch/akustischen Charakterisierung von Mikrobläschen realisiert.

Die durch die beiden Projekte geschaffene experimentelle Infrastruktur bietet Unternehmen und universitären Forschern eine Plattform für gemeinsame Projekte zur ultraschallgestützen integrierten Diagnose und Therapie.