Entwicklung eines Fluoreszenz-gestützten Mess- und Bildgebungsverfahrens zum frühen Nachweis rheumatischer Gelenkveränderungen. Identifizierung geeigneter Messgrößen zur quantitativen Auswertung der (dynamischen) Bilder und Entwicklung darauf beruhender Auswertealgorithmen zur Festlegung geeigneter Entscheidungsgrößen (Diskriminatoren).

Die rheumatoide Arthritis und Spondylarthropathien (Wirbel- und Gelenkerkrankungen) mit einer Prävalenz von ca. 2% sind in Deutschland die am meisten verbreiteten Erkrankungen. Derzeit sind etwa 1,3 Millionen Menschen von rheumatoider Arthritis betroffen und jährlich kommen 35.000 Erwachsene und 500 bis 900 Kinder und Jugendliche bis 16 Jahre hinzu. Volkswirtschaftlich sind nicht nur die weite Verbreitung und der durch die Krankheit bedingte Arbeitsausfall, sondern auch die hohen Kosten für Therapie und Rehabilitation zu berücksichtigen.

Eine frühzeitige Behandlung kann die Krankheit für eine lange Zeit zum Stillstand bringen und somit Lebensqualität erhalten sowie Folgekosten vermindern. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Forderung nach effizienten, kostengünstigen und für den Patienten nicht belastenden Verfahren zur frühzeitigen Diagnose offensichtlich. Da die zur Therapie eingesetzten Medikamente Nebenwirkungen haben, ist es auch erforderlich den Erfolg einer angewendeten Therapie frühzeitig feststellen zu können.

 Bei den Fluoreszenzmessungen zur Rheumadiagnostik liegt die metrologische Aufgabenstellung einerseits in der Gewährleistung der Vergleichbarkeit der Messungen, sowohl intraindividuell zwischen verschiedenen Fingern als auch interindividuell zur einheitlichen Bewertung der rheumatoiden Arthritis. Die Vergleichbarkeit soll durch die Entwicklung und Untersuchung verschiedener Normierungsverfahren erzielt werden. In diesem Zusammenhang stellt eine Quantifizierung der Fluoreszenzintensität durch den Bezug auf fluoreszierende Streukörper oder LED-basierte Strahlungsquellen einen grundlegenden Aspekt zur Sicherstellung der Messgenauigkeit in der Medizintechnik dar. Andererseits stellt die Identifizierung und Festlegung geeigneter dynamischer Messgrößen (z.B. zur Beschreibung der erfassten Kontrastmittelkinetik oder des Anreicherungsverhaltens des Kontrastmittels), die sich für eine objektive Diagnose oder sogar eine quantitative Verlaufskontrolle eignen, eine metrologische Herausforderung dar.

Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebung

Die Nahinfrarot-Bildgebung (NIR-Bildgebung) nutzt Licht des Spektralbereiches von l = 650 nm bis 1000 nm zur Differenzierung von Gewebe aus. NIR- Licht wird durch körpereigene Farbstoffe weniger absorbiert und im Gewebe weniger gestreut als sichtbares Licht. Daher liegt die Eindringtiefe der NIR-Photonen - je nach Gewebeart - bei mehreren Zentimetern. Die hierzu eingesetzten Bestrahlungsdichten sind für den menschlichen Organismus unbedenklich und eignen sich für eine nichtinvasive Diagnostik oder lassen sich potentiell für Screeningverfahren einsetzen. Da die intrinsischen gewebe-optischen Parameter wie Absorption und Streuung oft keine ausreichende Differenzierung zwischen erkranktem und gesundem Gewebe gestatten, werden zweckmäßigerweise fluoreszierende Kontrastmittel eingesetzt. Bisher gibt es kein etabliertes Verfahren, das die NIR-Fluoreszenzbildgebung zur Früherkennung von rheumatoider Arthritis einsetzt, so dass das Potential dieses Verfahrens untersucht werden soll.

Nahinfrarot-Kontrastmittel

Als optische Kontrastverstärker sind insbesondere Cyaninfarbstoffe aus der Klasse der Indotricarbocyanine mit einer Absorption und Fluoreszenzemission im Spektralbereich von 750 nm bis 850 nm geeignet. Indocyaningrün (ICG) wurde bereits 1977 für die Herz-Kreislauf-Diagnostik in der Klinik verwendet. Durch die Synthese von Derivaten mit modifizierbaren funktionellen Gruppen, insbesondere Carboxylgruppen, wird der Zugang zu sogenannten NIR-Diagnostika geschaffen, bei denen sowohl Molekulargewicht als auch der Grad an Hydrophilie systematisch variiert werden kann.

Aufgabe

Im aktuellen Projekt wird basierend auf den erfolgreichen Abschluss eines von der IBB und mit EFRE-Mitteln geförderten Projektes zur Diagnostik der rheumatoiden Arthritis ein Bildgebungssystem entwickelt, das nach der Erteilung der technischen Unbedenklichkeit bereits in einer orientierenden klinischen Studie eingesetzt wird (Abb. 1). Dabei werden die Gelenke von zwei Händen gleichzeitig optisch angeregt und die nach der Verabreichung eines Kontrastmittelbolus emittierte Fluoreszenz mittels einer Electron Multiplying (EM)CCD-Kamera  anhand einer schnellen Bildserie zweidimensional abgebildet. Die Aufnahme kurz aufeinanderfolgender Bilder ermöglicht die Erfassung des Anflutens und Auswaschens (Kinetik) der eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffe in den entzündlich veränderten Arealen. Um den Einfluss des Herzschlags berücksichtigen oder ausschließen zu können, werden 4 Bilder/s erfasst.  Zwei unterschiedliche Ansätze zur Realisierung der Fluoreszenzbildgebung wurden untersucht:

1. Flächenhafte Anregung der Fluoreszenz mit einem aufgeweiteten Laserstrahl oder einem LED-Array und Erfassung der emittierten Fluoreszenz mit einer empfindlichen EMCCD-Kamera.
2. Punktweise Anregung mit einem kollimierten cw-Laserstrahl und Detektion der Fluoreszenz mit einer Avalanche Photodiode (APD), wobei das Bild durch Abrastern des Gewebes mit dem Laserstrahl erzeugt wird.

Für beide Mess- und Bildgebungsverfahren wurden Funktionsmuster aufgebaut und Nachweisempfindlichkeit, Detektorlinearität, Dynamik und Auflösungsvermögen sowie die Homogenität der Ausleuchtung verglichen.

•  Mivenion GmbH, Berlin
  
  
• Dr. med. J. Osel,
  Klinik für Traumatologie und Orthopädie, Helios Klinikum Bad Saarow
  
  
• Prof. Dr. med. M. Berliner,
  Zentrum für Geriatrie und Physikalische Medizin, Helios Klinikum Berlin-Buch
  
  
• Prof. Dr. R. Haag,
  Institut für Chemie und Biochemie - Organische Chemie, FU Berlin