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Neues Nano-CT-Gerät liefert hochauflösende Aufnahmen von winzigem Stummelfüßer-Bein

07.11.2017

Computertomographie (CT) ist in Krankenhäusern eine Standardprozedur. Für extrem kleine Untersuchungsgegenstände war sie aber bislang nicht geeignet. Im Fachmagazin PNAS beschreibt ein Team der Technischen Universität München (TUM) ein Nano-CT-Gerät, das dreidimensionale Röntgenbilder mit besonders hoher Auflösung liefert. Erste Test-Anwendung: Gemeinsam mit Kollegen der Universität Kassel und des Helmholtz Zentrums Geesthacht haben die Forscherinnen und Forscher den Bewegungsapparat der urtümlichen Stummelfüßer analysiert.

Bei einer CT-Analyse wird der Untersuchungsgegenstand mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Ein Detektor misst aus verschiedenen Winkeln, wieviel Strahlung jeweils absorbiert wird. Aus mehreren solcher Messungen lassen sich dreidimensionale Bilder des Körperinneren errechnen. Bei Objekten, die so klein sind, wie die 0,4 Millimeter langen Beinchen von Stummelfüßern, stieß das Verfahren allerdings bislang an seine Grenzen.


Nano-CT-Aufnahmen eines Stummelfüßer-Beins. Links die Außenansicht, rechts der Blick ins Gewebe mit eingefärbten Muskelfasern.

Müller, Pfeiffer / TUM / reproduced with permission from PNAS


Mithilfe des Nano-CT-Geräts lassen sich sehr kleine Objekte durchleuchten – beispielsweise die Beinchen der Stummelfüßer-Art Euperipatoides rowelli.

de Sena Oliveira / Universität Kassel / reproduced with permission from PNAS

Für hochaufgelöste Aufnahmen wurde Strahlung aus Teilchenbeschleunigern benötigt – Großanlagen, von denen es in ganz Europa nur wenige Dutzend gibt. Ansätze, die für normale Labore geeignet sind, hatten mit niedriger Auflösung zu kämpfen oder die Proben mussten aus bestimmten Materialien sein und durften eine gewisse Größe nicht überschreiten. Der Grund war oft die Verwendung sogenannter Röntgenoptiken. Vereinfacht gesagt bündeln diese den Röntgenstrahl, wie optische Linsen es mit Licht tun – sie sorgen aber auch für verschiedene Einschränkungen.

Hohe Auflösung durch neue Röntgenquelle

Das Nano-CT-System der TUM basiert auf einer neu entwickelten Röntgenquelle, die einen besonders fokussierten Strahl erzeugt, und verzichtet auf Röntgenoptiken. In Kombination mit einem extrem rauscharmen Detektor liefert das Gerät Bilder, die fast die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops erreichen, erfasst aber auch Strukturen unter der Oberfläche.

„Unser System bietet entscheidende Vorteile gegenüber CTs mit Röntgenoptiken“, sagt TUM-Wissenschaftler Mark Müller, Erstautor des Artikels. „Wir können Tomographien von wesentlich größeren Proben durchführen und sind zudem flexibler in Bezug auf die zu untersuchenden Materialien.“

Einblick in die Evolution von Insekten & Co.

Diese Eigenschaften kamen dem Team um Prof. Georg Mayer, Leiter des Fachgebiets Zoologie der Universität Kassel, gelegen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen die evolutionäre Entwicklung von Gliederfüßern (Arthropoden), zu denen etwa Insekten, Spinnen und Krebse gehören. Ihr aktueller Forschungsgegenstand sind allerdings die nächsten Verwandten der Arthropoden: die Stummelfüßer (Onychophoren), die man sich grob als Würmer mit Beinen vorstellen kann. Je nach Art werden sie bis zu 20 Zentimeter lang. Wie diese urtümlichen Tiere zoologisch genau einzuordnen sind, ist jedoch nach wie vor umstritten, vermutlich haben die Gliederfüßer und sie gemeinsame Vorfahren.

„Im Gegensatz zu den Arthropoden besitzen Onychophoren ungegliederte Extremitäten, wie sie auch bei Fossilien ihrer mutmaßlichen gemeinsamen Vorfahren zu finden sind“, sagt Georg Mayer. „Um zu klären, wie die gegliederten Extremitäten der Arthropoden entstanden sind, spielt die Untersuchung der funktionellen Anatomie der Beine der Stummelfüßer eine zentrale Rolle.“ Anhand der Nano-CT-Aufnahmen, lassen sich die einzelnen Muskelstränge eines Stummelfüßer-Beinchens untersuchen. Detaillierte Ergebnisse will das Team aus Kassel in den kommenden Monaten veröffentlichen. Sicher ist aber bereits, dass das Nano-CT-Gerät den ersten Praxistest bestanden hat.

Nano-CT: künftige Anwendung in der Medizin

Wie zahlreiche andere Bildgebungsinstrumente wurde das Nano-CT-System an der Munich School of BioEngineering (MSB) entwickelt und installiert. Dieses interdisziplinäre Forschungszentrum der TUM ist europaweit die thematisch umfassendste universitäre Einrichtung für das Schnittfeld von Medizin, Ingenieur- und Naturwissenschaften.
„Unser Ziel bei der Entwicklung des Nano-CT-Systems ist es nicht nur, biologische Proben wie das Stummelfüßer-Bein untersuchen zu können“, sagt Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik an der TUM, Direktor der MSB und Fellow des TUM Institute for Advanced Study (TUM-IAS).

„In Zukunft sollen mit dieser Technik auch biomedizinische Untersuchungen möglich werden. So könnte man beispielsweise Gewebeproben untersuchen, um zu prüfen, ob es sich bei ihnen um bösartige Tumore handelt. Ein zerstörungsfreier und dreidimensionaler Blick in Gewebe mit einer Auflösung, wie sie die Nano-CT ermöglicht, kann zudem neue Einsichten in die mikroskopische Entstehung von Volkskrankheiten wie Krebs liefern.“

Publikation:

M. Müller, I. de Sena Oliveira, S. Allner, S. Ferstl, P. Bidola, K. Mechlem, A. Fehringer, L. Hehn, M. Dierolf, K. Achterhold, B. Gleich, J. U. Hammel, H. Jahn, G. Mayer, F. Pfeiffer. “Myoanatomy of the velvet worm leg revealed by laboratory-based nanofocus X-ray source tomography”. PNAS (2017). DOI: 10.1073/pnas.1710742114

Publikation:

M. Müller, I. de Sena Oliveira, S. Allner, S. Ferstl, P. Bidola, K. Mechlem, A. Fehringer, L. Hehn, M. Dierolf, K. Achterhold, B. Gleich, J. U. Hammel, H. Jahn, G. Mayer, F. Pfeiffer. “Myoanatomy of the velvet worm leg revealed by laboratory-based nanofocus X-ray source tomography”. PNAS (2017). DOI: 10.1073/pnas.1710742114

Mehr Informationen:

Munich School of BioEngineering
http://www.bioengineering.tum.de/

Lehrstuhl für Biomedizinische Physik
http://www.e17.ph.tum.de

TUM Institute for Advanced Study
https://www.ias.tum.de/

Hochauflösende Bilder
https://mediatum.ub.tum.de/1401200

Kontakt:

Prof. Dr. Franz Pfeiffer
Lehrstuhl für Biomedizinische Physik und Munich School of BioEngineering
Technische Universität München
Tel.: +49 (89) 289 12551
franz.pfeiffer@tum.de

Weitere Informationen:

Video zum Nano-CT-Verfahren (YouTube, ca. 3 Min.)

https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=fwtzPWdKWqY

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

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