Gehörknöchelchen im Röntgenlicht: Neue Technik enthüllt Strukturen in Rekordzeit

Mit einer neuen Röntgenbeugungsmethode lassen sich biologische Strukturen, zum Beispiel Gehörknöchelchen, im Nano- bis Millimeterbereich erfassen – in Rekordzeit. Das eröffnet neue Möglichkeiten: von der Analyse von Knochen- und Gewebestrukturen bis zur Unterstützung bei der Implantat-Entwicklung.

Knochen sind hart, aber gleichzeitig elastisch genug, um bei seitlicher Belastung nicht leicht zu brechen. Diese Kombination von Eigenschaften verdanken sie ihrem hierarchischen Aufbau als Verbundmaterialien. Für eine detaillierte Untersuchung solcher biologischen Materialien waren bislang in der Regel mehrere Instrumente nötig, wie etwa Elektronenmikroskope oder klassische Lichtmikroskope.

Forschende am Zentrum für Photonenforschung des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben nun eine Röntgenbeugungsmethode so verfeinert, dass sie damit Materialien gleichzeitig auf Längenskalen von Nanometern bis hin zu Millimetern deutlich schneller als bisher charakterisieren können. Statt wie früher rund einen Tag dauert eine vollständige Aufnahme nun nur noch etwa eine Stunde.

Um die Leistungsfähigkeit ihrer Methode zu demonstrieren, nutzten die Forschenden die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Sie machten die Ausrichtung der Kollagenfasern in einem der drei menschlichen Gehörknöchelchen, dem Amboss, sichtbar.

Potenzial für die Forschung – von Knochenerkrankungen bis Implantatdesign

„Damit haben wir den Sprung von der wissenschaftlichen Methode zur Praxis geschafft“, sagt Christian Appel, Postdoktorand und Erstautor der Studie. Die Ergebnisse wurden nun als Titelgeschichte im Fachjournal „Small Methods“ veröffentlicht. Sie könnten künftig unter anderem bei der Untersuchung komplexer Gewebe, der Analyse von Knochenkrankheiten oder der Optimierung von Implantatdesigns wertvolle Dienste leisten.

Röntgenstrahlen können einerseits zur klassischen Durchleuchtung benutzt werden. Andererseits lassen sich mit Röntgenstrahlen wie jenen an der SLS auch Kristallstrukturen auf der Nanometerskala sichtbar machen, indem man das Phänomen der Interferenz ausnutzt.

Bei der Interferenz überlagern sich die elektromagnetischen Röntgenwellen, die von den regelmäßig im Kristall angeordneten Atomschichten gestreut werden. Je nach Streurichtung legen sie unterschiedlich lange Wege zur Röntgenkamera zurück, wo sie registriert werden. Sie treffen dort mit verschiedenen Schwingungsphasen, also leicht verschoben in ihrem Wellengang ein. Dadurch können sie sich entweder verstärken oder gegenseitig auslöschen. Aus dem so entstehenden Interferenzmuster lässt sich dann die Kristallstruktur sowie deren Ausrichtung im Raum errechnen.

Räumliche Auflösung durch Rastern

Feinste Kollagenfibrillen im Knochen sind nur auf der Nanometerskala sichtbar, während gröbere Gewebestrukturen im Mikro- bis Millimeterbereich erkennbar werden. Um beide Längenskalen gleichzeitig darstellen zu können, entwickelten Forschende um Marianne Liebi am PSI vor zehn Jahren die Tensortomografie.

Dabei wird die zu untersuchende Probe schrittweise und präzise um zwei Achsen gedreht. Ein nur etwa zwanzig Mikrometer breiter Röntgenstrahl erzeugt in jedem Schritt ein Interferenzmuster, das von einer Kamera aufgenommen wird. „Durch dieses Rastern werden nach und nach Informationen über die lokalen Kristalleigenschaften aufgenommen“, erklärt Liebi, leitende Autorin der aktuellen Studie.

Komplettes Tomogramm innerhalb einer Stunde

Aus Millionen von Interferenzbildern errechnet ein Computerprogramm dann ein dreidimensionales Bild der gesamten Probe – ein Tomogramm. Dieser ganze Prozess dauerte anfangs bis zu einem Tag. Das war zu lange für statistische Studien mit Hunderten verschiedener Proben.

„Wir haben die Methode jetzt so weiterentwickelt, dass wir ein komplettes Tomogramm in einer guten Stunde aufnehmen können“, sagt Meitian Wang, Strahllinienwissenschaftler und Mitautor der Studie. Eine breit angelegte Zusammenarbeit über mehrere Forschungsgruppen des PSI ermöglichte eine Verbesserung sowohl der Rastertechnik, bei der das Objekt extrem genau positioniert und in winzigen Schritten gedreht werden muss, als auch der Computersoftware, die aus den einzelnen Interferenzmustern das fertige Tomogramm errechnet.

Kollagenstrukturen im Gehörknöchelchen

„Um unsere verbesserte Methode zu testen, brauchten wir nun noch eine interessante Probe“, berichtet Appel. In Zusammenarbeit mit Forschenden am Universitätsspital Lausanne wurde ein winziges Gehörknöchelchen gewählt, der Amboss. Wird der Amboss beispielsweise aufgrund einer chronischen Mittelohrentzündung beschädigt, so ist es mitunter nötig, ihn teilweise durch eine Prothese zu ersetzen. Dafür wiederum würden Ärzte gerne wissen, wie es im Inneren des Ambosses genau aussieht.

Besonders aufschlussreich sind dabei die Kollagenstrukturen und deren räumliche Ausrichtung im Knochen. Die Richtung der Kollagenfasern kann Aufschluss darüber geben, wie eine Prothese am besten anzubringen ist. Aus den Interferenzmustern, die beim Röntgenrastern aufgenommen wurden, konnte das Computerprogramm errechnen, wie die Kollagenfasern durchschnittlich in vielen winzigen, nur 20 mal 20 mal 20 Mikrometer großen Abschnitten des Ambosses ausgerichtet sind. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 50 Mikrometer.

Mit der neuen SLS werden die Forschenden diese bereits sehr hohe Auflösung künftig nochmals deutlich verbessern können. Die Größe des Röntgenstrahls wird dann auf wenige Mikrometer schrumpfen und dank höherem Röntgenfluss routinemäßig schnellere Messungen ermöglichen. „Durch die Kombination besserer Auflösung und höherer Messgeschwindigkeit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Tensortomografie, gerade in biomedizinischen Anwendungen“, erklärt Appel.