“Paint it black”: Neues optoakustisches Verfahren macht die Dynamik von Makrophagen in vivo sichtbar

Makrophagen sind ein essentieller Bestandteil des angeborenen Immunsystems. Als Immunzellen haben sie Funktionen bei der Abwehr von Krankheitserregern, bei der Gewebehomöostase und bei verschiedenen Entzündungsprozessen im Körper durch Infektion, allergische Reaktion oder Krankheit. Deshalb ist die Visualisierung von Makrophagen, insbesondere ihrer Dynamik im lebenden Körper von Tiermodellen, wesentlich für ein besseres Verständnis zahlreicher Krankheiten wie Krebs. Forschende der Gruppe für CellEngineering am Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung des Helmholtz Zentrum München haben in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Biologische Bildgebung an der Technischen Universität München (TUM) eine neue Methode entwickelt um Makrophagen in der optoakustischen Bildgebung zu visualisieren. Dies erlaubt die Darstellung von Makrophagen-Dynamik in vivo und ermöglicht weitere Forschung zu ihrem Verständnis.

Die Visualisierung von Makrophagen ist dann besonders interessant, wenn sie im gesamten Körper eines lebenden Modellorganismus durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht eine umfassende und systemische Betrachtung der Dynamik von Immunzellen, etwa als Reaktion auf eine Infektion oder Krebs. Mit einem neuartigen bildgebenden Verfahren, der sogenannten optoakustischen (photoakustischen) Tomographie, ist es möglich, optische Kontraste in ganzen Organismen in vivo zu visualisieren.

Durch lichtundurchlässiges Gewebe können hochauflösende optische Bilder erzeugt werden. Dafür wird Licht „hörbar“ gemacht: Schwache Laserimpulse erwärmen Gewebemoleküle minimal, was als Reaktion eine temporäre Volumenausdehnung erzeugt, die wiederum zu Ultraschallsignalen führt. Indem diese erfasst und mathematisch verarbeitet werden, lassen sich dreidimensionale optische Bilder in Tiefen von mehreren Zentimetern erzeugen. Die Bildgebung von Makrophagen ist jedoch eine Herausforderung, da sie transparent sind und keinen optoakustischen Kontrast liefern. „Unser Ziel war es daher, biotechnologische Methoden zu entwickeln, um Makrophagen für die optoakustische Tomographie sichtbar zu machen“, erklärt Institutsleiter Prof. Dr. Vasilis Ntziachristos.

Dementsprechend hat eine Forschergruppe um die Erstautorin Dr. Ina Weidenfeld und den Letztautor und Leiter der CellEngineering-Gruppe Dr. Andre C. Stiel begonnen, einen optoakustischen Marker für Makrophagen zu entwickeln, der eine starke Lichtabsorption und somit einen hohen Kontrast ermöglicht, aber gleichzeitig die Funktionalität der Makrophagen nicht beeinträchtigt.

Ein neues verträgliches optoakustisches Kontrastmittel

In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München (TUM) und der Universität Bonn entschied sich die Gruppe schließlich für einen kreativen Ansatz: Sie erkannten, dass die seltene Humanerkrankung Alkaptonurie mit der Ansammlung eines Pigments in Gelenken und Knorpeln einhergeht. Wie Weidenfeld erklärt, führt die pechschwarze Beschaffenheit dieses Pigments zu einer hohen Absorption über das gesamte Lichtspektrum und macht es zu einem idealen Kontrastmittel für die Optoakustik. Davon inspiriert nutzten die Forscher den molekularen Vorläufer dieses Pigments, um in Makrophagen eine schwarze Pigmentierung zu erzeugen und so ihre Darstellung in vivo zu erleichtern. Der Markierungsprozess selbst sowie die hohe Löslichkeit des Pigments machen es biokompatibel. Die natürliche Aktivität und Funktion der Makrophagen bleiben erhalten – ein wichtiger Vorteil im Vergleich zu vielen anderen Kontrastmitteln. „Die Nutzung der Optoakustik und der neuen Markierungs-Strategie wird es in Zukunft erlauben, die vielfältige Funktion von Makrophagen, insbesondere auch in Bezug auf ihre Rollen im Zusammenhang mit vielen Krankheiten, besser zu verstehen“, sagt Stiel.

Originalpublikation
Weidenfeld et al., 2019: Homogentisic acid-derived pigment as a biocompatible label for optoacoustic imaging of macrophages. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-13041-4