Brustkrebs ist die häufigste Krebserkrankung bei Frauen. Etwa 10 % aller Frauen sind während ihres Lebens davon betroffen. Für eine erfolgreiche Behandlung ist eine frühzeitige Erkennung der Erkrankung notwendig. Durch die Röntgen-Mammographie als etabliertem Standardverfahren werden nicht alle Brusttumore gefunden. Zudem lässt sich nicht immer entscheiden, ob eine Gewebeveränderung gutartig oder bösartig ist. Mit der Entwicklung von fluoreszierenden Kontrastmitteln zur Erkennung von Brusttumoren durch die pharmazeutische Industrie entsteht die Möglichkeit, Tumore mittels neuer bildgebender optischer Verfahren sichtbar zu machen. Bei höchster Empfindlichkeit würden sich bereits kleinste Mengen an Kontrastmittel nachweisen lassen, so dass sich neue Möglichkeiten zur Früherkennung von Tumoren eröffnen. Für die erfolgreiche Anwendung der Kontrastmittel sind die Entwicklung geeigneter Bildgebungsverfahren und die Bestimmung ihrer Nachweisgrenzen erforderlich.

Brustkrebs ist die häufigste Krebserkrankung bei Frauen. Etwa 10 % aller Frauen sind während ihres Lebens davon betroffen. Für eine erfolgreiche Behandlung ist eine frühzeitige Erkennung der Erkrankung notwendig. Durch die Röntgen-Mammographie als etabliertem Standardverfahren werden nicht alle Brusttumore gefunden. Zudem lässt sich nicht immer entscheiden, ob eine Gewebeveränderung gutartig oder bösartig ist. Mit der Entwicklung von fluoreszierenden Kontrastmitteln zur Erkennung von Brusttumoren durch die pharmazeutische Industrie entsteht die Möglichkeit, Tumore mittels neuer bildgebender optischer Verfahren sichtbar zu machen. Bei höchster Empfindlichkeit würden sich bereits kleinste Mengen an Kontrastmittel nachweisen lassen, so dass sich neue Möglichkeiten zur Früherkennung von Tumoren eröffnen. Für die erfolgreiche Anwendung der Kontrastmittel sind die Entwicklung geeigneter Bildgebungsverfahren und die Bestimmung ihrer Nachweisgrenzen erforderlich.

• Entwicklung empfindlicher optischer Messverfahren zur Erkennung und Differenzierung von Brusttumoren
• Entwicklung von Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der optischen Eigenschaften von Brustgewebe und Tumoren
• Bestimmung der räumlichen Verteilung eines Kontrastmittels für die optische Mammographie im Brustgewebe und der Nachweisgrenzen bei der optischen Abbildung

Das Brustgewebe wird mit kurzen Nahinfrarot-Laserimpulsen durchleuchtet. Durch die Streuung des Lichtes im Gewebe kommt es zu einer Impulsverbreiterung. Man misst die Zahl und die Laufzeiten der an die Detektorposition gelangenden Photonen. Durch Analyse der daraus abgeleiteten Impulsform und Anwendung physikalischer Modelle lassen sich optische Mammogramme erzeugen sowie die Absorptions- und Streueigenschaften des Brustgewebes bestimmen. Treffen Laserphotonen auf die Farbstoffmoleküle eines vor der Untersuchung verabreichten Kontrastmittels, dann werden Fluoreszenzphotonen erzeugt. An den Detektorpositionen wird jetzt zusätzlich das Fluoreszenzlicht gemessen, um die räumliche Verteilung des Farbstoffs (Kontrastmittels) im Gewebe bestimmen zu können.

Die Abb. zeigt schematisch den Aufbau eines an der PTB fertiggestellten Fluoreszenz-Mammographen, der im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundvorhabens (2005 bis 2008) in enger Zusammenarbeit mit den Firmen Philips Forschungslaboratorien GmbH (Hamburg), Bayer Schering Pharma AG (Berlin) und PicoQuant GmbH (Berlin) entwickelt wurde. Bei diesem Gerät wird die zwischen zwei Glasplatten befindliche Brust mit Hilfe von Lichtleitern abgerastert. Die Anregung der Fluoreszenz des Kontrastmittels in der Brust erfolgt durch Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge. In jedem Rasterpunkt werden die Photonenlaufzeitverteilungen der Fluoreszenzphotonen und der Photonen auf der Anregungswellenlänge gemessen. Das Gerät ist mit weiteren Lasern ausgestattet, die zusätzlich die Messung der optischen Eigenschaften bei ausgesuchten Wellenlängen im nahinfraroten Spektralbereich ermöglichen, um physiologische Informationen über das Brustgewebe ableiten zu können (Grosenick et al. 2011).

Abb. Schematischer Aufbau und Foto eines an der PTB entwickelten Fluoreszenz-Mammographen für zeitaufgelöste Messungen. Das Gerät erfasst die durch Laserstrahlung angeregte Fluoreszenz eines Kontrastmittels und die Photonenlaufzeitverteilungen auf der Anregungswellenlänge an verschiedenen Detektionsorten. Wahlweise können die 4 zusätzlichen Laser für spektrale Messungen am Brustgewebe eingesetzt werden 

In Zusammenarbeit mit der Charité Universitätsmedizin Berlin wurde im Rahmen einer Machbarkeitsstudie (Hagen et al. 2009, Poellinger et al. 2011) die kontrastmittelgestützte Fluoreszenzmammographie an 20 Patientinnen erprobt, bei denen mit konventionellen medizinisch bildgebenden Verfahren (Röntgen, Ultraschall, MRT) eine suspekte Gewebeveränderung diagnostiziert worden war. Als Kontrastmittel wurde Indocyaningrün (ICG) eingesetzt, ein aus der Leberfunktionsdiagnostik und der Angiographie bekannter medizinischer Farbstoff, der bei 780 nm angeregt, und dessen Fluoreszenz oberhalb von 800 nm gemessen wurde. Durch die starke Bindung der Kontrastmittelmoleküle an die vergleichsweise großen Plasmaproteine im Blut wirkt das Kontrastmittel effektiv als Makromolekül. Dadurch kann es nur in Karzinomen, bei denen eine ausreichend große Gefäßpermeabilität vorliegt, aus der Blutbahn in das umliegende Gewebe austreten (Extravasation), während die Durchlässigkeit der Blutgefäße im gesunden Gewebe und in gutartigen Läsionen zu klein ist. Nach Abbau des in den Gefäßen zirkulierenden Kontrastmittels durch die Leber wurde die Fluoreszenz der extravasierten Farbstoffmoleküle gemessen. Die damit abgebildete Gefäßpermeabilität eignet sich besonders gut zur Differenzierung von Karzinomen und gutartigen Läsionen, insbesondere dann, wenn aufgrund ähnlicher Hämoglobin-Konzentrationen eine solche Unterscheidung auf Basis des intrinsischen Gewebekontrastes nicht möglich ist. Die Abb. zeigt ein Beispiel für ein Fluoreszenz-Mammogramm, das an einer Patientin mit einem Karzinom aufgenommen wurde. Dargestellt ist die auf die Gewebeabsorption normierte Fluoreszenz.

Abb. Fluoreszenz-Mammogramm (links) einer Patientin mit einem Karzinom in der rechten Brust. Zum Vergleich ein optisches Mammogramm der gleichen Brust, das den intrinsischen Gewebekontrast zeigt (rechts).

Die klinische Studie hat bestätigt, dass das Verfahren für die Unterscheidung von bösartigen und gutartigen Läsionen in der Brust geeignet ist. 

An der PTB sind verschiedene Auswerteverfahren für die Bestimmung der optischen Eigenschaften von Tumoren und daraus ableitbaren physiologischen Parametern (Hämoglobinkonzentration und Sauerstoffsättigung) entwickelt worden. Die Verfahren beruhen auf Anwendung des Modells der Beugung von Photonendichtewellen an einer kugelförmigen Inhomogenität (Grosenick et al. 2005b), der linearen Störungstheorie für die Diffusionsgleichung zur Lichtausbreitung in Gewebe (Wassermann et al. 2005), der Störungstheorie höherer Ordnung (Grosenick et al. 2007) und einem linearen störungstheoretischen Ansatz zur dreidimensionalen Rekonstruktion (Dierkes et al 2005). Diese Methoden wurden anhand von Messdaten zu gewebeähnlichen Phantomen miteinander verglichen und jeweils an Messdaten von Patientinnen mit Tumoren erprobt. Dabei ergab sich, dass die Störungstheorie, selbst bei Berücksichtigung von Termen bis zur dritten Ordnung, die bei in vivo-Daten auftretenden Absorptionskoeffizienten von Brusttumoren wesentlich unterschätzt. Das Beugungsmodell für Photonendichtewellen dagegen erlaubt eine verlässliche Bestimmung der optischen Eigenschaften von Läsionen, sofern diese näherungsweise kugelförmige Gestalt haben.

Das Beugungsmodell wurde zur Analyse von Messungen einer klinischen Studie benutzt, die im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Projektes („Optical Mammography: Imaging and Characterisation of Breast Lesions by Pulsed Near-Infrared Laser Light“) gemeinsam mit der Robert-Rössle-Klinik in Berlin-Buch durchgeführt wurde. Bei dieser Studie stand die Bestimmung des gewebeeigenen Kontrastes im Mittelpunkt, so dass kein Kontrastmittel verwendet wurde. Die Untersuchungen wurden mit einem früher entwickelten Laserimpuls-Mammographen durchgeführt. Von den insgesamt 102 in der Studie histologisch validierten Karzinomen waren lediglich 10 Karzinome in den optischen Mammogrammen nicht sichtbar. Die anderen Karzinome erschienen jeweils als Bereiche mit erhöhter Absorption (Grosenick et al. 2005a). Wie die Abb. zeigt, ergab die Auswertung der physiologischen Parameter, dass sich Karzinome im Vergleich zum gesunden Gewebe im wesentlichen durch eine erhöhte totale Hämoglobinkonzentration auszeichnen. Für einen Teil der Karzinome wurde außerdem eine verringerte Sauerstoffsättigung beobachtet, die auf einen hohen Stoffwechsel im Tumorgewebe hinweist.

Abb.    Werte für Sauerstoffsättigung und totale Hämoglobinkonzentration von 87 Brustkarzinomen und dem jeweils benachbarten gesunden Brustgewebe 

Die Ergebnisse der durchgeführten klinischen Studie zeigten, dass auch gutartige Läsionen häufig eine erhöhte Durchblutung aufweisen. Dadurch ist eine verlässliche Differenzierung zwischen bösartigen und gutartigen Läsionen allein anhand der Hämoglobinkonzentration im Gewebe nicht möglich (Rinneberg et al. 2008). Optische Untersuchungen der Brust ohne zusätzliche Kontrastmittel sind daher zur Erkennung und Differenzierung von Brusttumoren weniger geeignet, sie ermöglichen aber z.B. die regelmäßige Kontrolle von Läsionen mit auffallend hohem Hämoglobingehalt, z.B. zur Prüfung der Wirkung einer Chemotherapie.

• Radiologie der Charité, Universitätsmedizin Berlin
• Charité Comprehensive Cancer Center, Berlin
• PicoQuant GmbH, Berlin

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