Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Ein Test der sogenannten Röntgenfluoreszenz-Methode für diesen Einsatz ist an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III vielversprechend verlaufen, wie ein Forscherteam unter Leitung von Florian Grüner von der Universität Hamburg im Fachblatt „Scientific Reports“ berichtet. Die Technik bietet demnach die Perspektive, derartige Röntgenuntersuchungen nicht nur genauer, sondern auch schonender als mit bisherigen Verfahren durchzuführen. Vor einem Einsatz in der Klinik muss die Methode allerdings noch zahlreiche Entwicklungsschritte durchlaufen.

Die Idee hinter dem Verfahren ist einfach: Winzige Nanopartikel aus Gold mit einem Durchmesser von zwölf Nanometern (millionstel Millimetern) werden mit Hilfe von biochemischen Methoden mit Antikörpern gespickt. „Eine Lösung mit diesen Nanoteilchen würde man einem Patienten injizieren“, erläutert Physikprofessor Grüner, der am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) arbeitet, einer Kooperation von DESY, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. „Die Partikel wandern durch den Körper, wobei die Antikörper an eventuell vorhandenen Tumoren andocken.“ Scannt man die entsprechenden Körperbereiche von Patienten dann mit einem haarfeinen Röntgenstrahl ab, fluoreszieren die Goldteilchen und senden charakteristische Röntgensignale aus, aufgenommen von einem speziellen Detektor. Dadurch könnte man – so die Hoffnung – kleinste Tumore aufspüren, die sich mit heutigen Methoden nicht finden lassen.

„Bei Brustkrebs werden Tumore häufig erst erkannt, wenn sie bereits größer als ein Zentimeter sind“, erläutert Grüner, der für diese Studie unter anderem mit der Gruppe von Christoph Hoeschen an der Universität Magdeburg zusammengearbeitet hat. „Unsere Methode hat das Potenzial, millimetergroße Tumore oder Metastasen zu entdecken, was die Heilungschancen stark erhöhen würde.“ Ein weiteres Anwendungsfeld der Methode könnte in der Medikamentenentwicklung liegen. Hier würde man die Nanoteilchen an neue potenzielle Wirkstoffe anhängen und anschließend per Röntgenfluoreszenz verfolgen, wie sich das Medikament im Körper verteilt und ob es den gewünschten Wirkort überhaupt erreicht. Dadurch ließen sich – so die Hoffnung – frühzeitiger als bislang aussichtsreiche von wirkungslosen Kandidaten unterscheiden.

Zwar ist die Idee der Röntgenfluoreszenz bereits mehr als 30 Jahre alt, ließ sich bislang aber beim Menschen nicht umsetzen. Der Grund: Die Röntgenstrahlung wird im Inneren des Körpers vielfach gestreut. Das führt zu einem störenden Untergrund, aus dem sich die eigentlichen Signale nur schwer herauslesen lassen. „In dieses Thema hat sich mein Team eingegraben, und nun haben wir als erste Gruppe auf der Welt experimentell gezeigt, wie man dieses Problem lösen kann“, sagt Grüner. Dabei bestimmt ein Computer-Algorithmus aus der räumlichen Verteilung der gemessenen Röntgenspektren genau die Bereiche, deren Signale in der Summe besonders wenig Störuntergrund enthalten.

Für einen ersten experimentellen Test durchleuchteten die Forscher an PETRA III einen 30 Zentimeter dicken Kunststoffzylinder aus Polymethylmethacrylat (PMMA), mit dem sich die Bedingungen im menschlichen Gewebe simulieren lassen. Diese Messungen des Untergrunds bestätigten die vorangegangenen Simulationenrechnungen sehr gut. Im Vergleich zu einem Computertomogramm (CT) verspricht die Röntgenfluoreszenz demnach sogar eine deutlich geringere Strahlenbelastung: Während diese beim CT vier bis sieben Millisievert beträgt, würde die Röntgenfluoreszenz mit etwa einem Millisievert auskommen, wie Grüner vorrechnet. Wollte man mit einem normalen CT dieselbe Menge an Gold-Nanopartikeln lokalisieren, müsste zudem die Dosis auf nicht mehr tolerierbare Werte erhöht werden.

Für einen Einsatz in der medizinischen Diagnostik muss die Methode allerdings noch deutlich weiterentwickelt werden. So ist unter anderem die Wirkung von Gold-Nanopartikeln im menschlichen Körper noch Gegenstand von Untersuchungen. Eine weitere Hürde ist zudem die Verfügbarkeit entsprechender Röntgenlichtquellen. Große Teilchenbeschleuniger wie DESYs PETRA III mit einem Umfang von mehr als zwei Kilometern sind nicht für eine Klinik oder gar Arztpraxis geeignet. Innovative Beschleunigertechniken, die sich gerade in der Entwicklung befinden, könnten jedoch in Zukunft Röntgenlichtquellen möglich machen, die eine für diese Untersuchungen nötige Qualität liefern und noch in ein Labor passen.

Diese Arbeit ist ein erster Schritt hin zu künftigen biomedizinischen Anwendungen der Röntgenfluoreszenz, wobei nicht nur Gold-Nanopartikel zum Einsatz kommen können. Mit Unterstützung des Förderprogramms von Hamburg Innovation und in Kooperation mit dem Unternehmen innospec UG plant Grüner, hochsensitive Messungen mit DESYs Röntgenquelle PETRA III zu Kontrastmitteln in der klinischen Bildgebung.

An der jetzt veröffentlichten Studie waren Forscher der Universität Hamburg, des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf, der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, des Sloan Kettering Institute in New York City, der Cornell University im US-Bundesstaat New York, des Helmholtz-Zentrums München, der University of Arizona in Tucson sowie von DESY beteiligt.

 

Originalarbeit:
„Localising functionalised gold-nanoparticles in murine spinal cords by X-ray fluorescence imaging and background-reduction through spatial filtering for human-sized objects“; Florian Grüner, Florian Blumendorf, Oliver Schmutzler, Theresa Staufer, Michelle Bradbury, Ulrich Wiesner, Tanja Rosentreter, Gabriele Loers, David Lutz, Bernadette Richter, Markus Fischer, Florian Schulz, Swantje Steiner, Martin Warmer, Anja Burkhardt, Alke Meents, Matthew Kupinski & Christoph Hoeschen; „Scientific Reports“, 2018; DOI: 10.1038/s41598-018-34925-3