Hintergrund: Optoakustik – Photoakustik

Hintergrund: Optoakustik – Photoakustik

In den 1880er Jahren wurden durch Alexander Graham Bell (Bell 1880) erstmalig der photoakustische Effekt beschrieben. Die Nutzung des photo- oder optoakustischen Effekts zur Bildgebung und Anwendung am Menschen wurde erstmals in den 1990er Jahre beschrieben (Oraevsky 1994). Der Einsatz von darauf basierenden Nachfolgetechnologien, wie der Multispektralen Optoakustischen Tomographie (MSOT), werden dagegen erst seit den 2010er Jahren intensiver verfolgt. MSOT vereint die Vorteile von optischer (Kontrast) und akustischer (Eindringtiefe) Bildgebung. So lassen sich durch die Nutzung von Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen verschiedene Moleküle bzw. Chromophore (z.B. Hämoglobin, Fett, Wasser, Kollagen und Melanin) anregen. Dies führt zu einer thermoelastischen Expansion mit anschließender Aussendung von Druck- bzw. Ultraschallwellen, die mit derselben Untersuchungseinheit detektiert und schlussendlich sichtbar und quantifiziert werden können (Ntziachristos et al. 2010, Tzoumas et al. 2014). Dieser molekulare Bildgebungsansatz ermöglicht eine völlig neuartige Bewertung von Gewebeveränderungen bei unterschiedlichsten Erkrankungen. Da sich im Bereich des eingestrahlten Nahinfrarotlichts insbesondere Hämoglobin zur Detektion mittels OAI eignet, lag der Schwerpunkt vieler präklinischer als auch klinischer Pilotstudien bei entzündlichen (Regensburger et al. 2021), kardiovaskulären, onkologischen und muskulären Erkrankungen (Attia et al. 2019). Insbesondere auch bei Kindern und Jugendlichen mit neuromuskulären Erkrankungen können neue Biomarker für die Bewertung der krankheitsschwere aufgezeichnet werden (Regensburger et al. 2019, Regensburger et al. 2022, Nedoschill et al. 2024). Auf dem Gebiet der gastrointestinalen Erkrankungen konnten mittels Optoakustik in ersten Pilotexperimenten bereit entzündlichen Darmveränderungen im Mausmodell detektiert werden (Knieling et al. 2018) (Buehler et al. 2023). Auch mittels klinischem, handgeführten MSOT konnte die Krankheitsschwere von erwachsenen und kindlichen Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen beurteilt werden (Waldner et al. 2016, Knieling et al. 2017, Regensburger et al. 2024). Dies belegt einen weiteren großen Vorteil dieser Technologie: durch Skalierbarkeit von Eindringtiefe und Auflösung werden translationale Forschungsansätze von der Zelle über das Mausmodell bis hin zum Menschen möglich – ein entscheidender Vorteil, wenn es um Validierung und Beschleunigung von translationaler Forschung geht. Mithilfe exogen zugeführter Absorber bzw. Farbstoffe können durch MSOT nicht nur molekulare sondern auch funktionelle Parameter generiert werden. Insbesondere der Farbstoff Indocyaningrün (ICG) konnte bereits mittels OAI detektiert werden (Paulus et al. 2023). Die Etablierung von OAI Technologien in der klinischen Routine ist Ziel des International Photoacoustic Standardization Consortium (IPASC) (Assi et al. 2023).

Ausgewählte Publikationen des PETI-Lab’s:

Nedoschill, E., A. L. Wagner, V. Danko, A. Buehler, R. Raming, J. Jüngert, M. F. Neurath, M. J. Waldner, U. Rother, J. Woelfle, R. Trollmann, F. Knieling and A. P. Regensburger (2024). „Monitoring spinal muscular atrophy with three-dimensional optoacoustic imaging.“ Med 5(5)

Regensburger, A. P., M. Eckstein, M. Wetzl, R. Raming, L. P. Paulus, A. Buehler, E. Nedoschill, V. Danko, J. Jüngert, A. L. Wagner, A. Schnell, A. Rückel, U. Rother, O. Rompel, M. Uder, A. Hartmann, M. F. Neurath, J. Woelfle, M. J. Waldner, A. Hoerning and F. Knieling (2024). „Multispectral optoacoustic tomography enables assessment of disease activity in paediatric inflammatory bowel disease.“ Photoacoustics 35

Assi, H., R. Cao, M. Castelino, B. Cox, F. J. Gilbert, J. Gröhl, K. Gurusamy, L. Hacker, A. M. Ivory, J. Joseph, F. Knieling, M. J. Leahy, L. Lilaj, S. Manohar, I. Meglinski, C. Moran, A. Murray, A. A. Oraevsky, M. D. Pagel, M. Pramanik, J. Raymond, M. K. A. Singh, W. C. Vogt, L. Wang, S. Yang, I. Members of and S. E. Bohndiek (2023). „A review of a strategic roadmapping exercise to advance clinical translation of photoacoustic imaging: From current barriers to future adoption.“ Photoacoustics 32

Buehler, A., E. Brown, L. P. Paulus, M. Eckstein, O. M. Thoma, M. E. Oraiopoulou, U. Rother, A. Hoerning, A. Hartmann, M. F. Neurath, J. Woelfle, O. Friedrich, M. J. Waldner, F. Knieling, S. E. Bohndiek and A. P. Regensburger (2023). „Transrectal Absorber Guide Raster-Scanning Optoacoustic Mesoscopy for Label-Free In Vivo Assessment of Colitis.“ Adv Sci (Weinh)

Paulus, L. P., A. Buehler, A. L. Wagner, R. Raming, J. Jüngert, D. Simon, K. Tascilar, A. Schnell, U. Rother, M. Eckstein, W. Lang, A. Hoerning, G. Schett, M. F. Neurath, M. J. Waldner, R. Trollmann, J. Woelfle, S. E. Bohndiek, A. P. Regensburger and F. Knieling (2023). „Contrast-Enhanced Multispectral Optoacoustic Tomography for Functional Assessment of the Gastrointestinal Tract.“ Adv Sci (Weinh)

Regensburger, A. P., A. L. Wagner, V. Danko, J. Jungert, A. Federle, D. Klett, S. Schuessler, A. Buehler, M. F. Neurath, A. Roos, H. Lochmuller, J. Woelfle, R. Trollmann, M. J. Waldner and F. Knieling (2022). „Multispectral optoacoustic tomography for non-invasive disease phenotyping in pediatric spinal muscular atrophy patients.“ Photoacoustics 25

Regensburger, A. P., E. Brown, G. Kronke, M. J. Waldner and F. Knieling (2021). „Optoacoustic Imaging in Inflammation.“ Biomedicines 9(5)

Regensburger, A. P., L. M. Fonteyne, J. Jungert, A. L. Wagner, T. Gerhalter, A. M. Nagel, R. Heiss, F. Flenkenthaler, M. Qurashi, M. F. Neurath, N. Klymiuk, E. Kemter, T. Frohlich, M. Uder, J. Woelfle, W. Rascher, R. Trollmann, E. Wolf, M. J. Waldner and F. Knieling (2019). „Detection of collagens by multispectral optoacoustic tomography as an imaging biomarker for Duchenne muscular dystrophy.“ Nat Med 25(12)

Knieling, F., J. Gonzales Menezes, J. Claussen, M. Schwarz, C. Neufert, F. B. Fahlbusch, T. Rath, O. M. Thoma, V. Kramer, B. Menchicchi, C. Kersten, K. Scheibe, S. Schurmann, B. Carle, W. Rascher, M. F. Neurath, V. Ntziachristos and M. J. Waldner (2018). „Raster-Scanning Optoacoustic Mesoscopy for Gastrointestinal Imaging at High Resolution.“ Gastroenterology 154(4)

Knieling, F., C. Neufert, A. Hartmann, J. Claussen, A. Urich, C. Egger, M. Vetter, S. Fischer, L. Pfeifer, A. Hagel, C. Kielisch, R. S. Gortz, D. Wildner, M. Engel, J. Rother, W. Uter, J. Siebler, R. Atreya, W. Rascher, D. Strobel, M. F. Neurath and M. J. Waldner (2017). „Multispectral Optoacoustic Tomography for Assessment of Crohn’s Disease Activity.“ N Engl J Med 376(13)

Waldner, M. J., F. Knieling, C. Egger, S. Morscher, J. Claussen, M. Vetter, C. Kielisch, S. Fischer, L. Pfeifer, A. Hagel, R. S. Goertz, D. Wildner, R. Atreya, D. Strobel and M. F. Neurath (2016). „Multispectral Optoacoustic Tomography in Crohn’s Disease: Noninvasive Imaging of Disease Activity.“ Gastroenterology 151(2)