Terahertz-Polarimetrie erkennt mikroskopische Gewebeveränderungen

Forschende von der Stony Brook University, USA, haben ein neues Modell entwickelt, das zeigt, wie Terahertz-Streuung strukturelle Gewebeveränderungen mit hohem diagnostischem Wert identifizieren kann.

Aktuelle Fortschritte in der Elektronik und Optik eröffnen neue Möglichkeiten für Terahertz-Wellen – eine unsichtbare Form von Licht, das im Spektrum zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen liegt. Die Nutzung von Terahertz-Streuung für die medizinische Diagnostik stellt ein vielversprechendes Forschungsfeld dar, da Terahertz-Wellen Gewebestrukturen auf eine Weise untersuchen können, die mit herkömmlichen Bildgebungsverfahren nicht möglich ist. Neue Terahertz-Messmethoden haben das Potenzial, subtile Veränderungen der Gewebearchitektur zu erkennen, wie sie bei Krankheiten wie Krebs und Verbrennungsschäden auftreten, und können so als leistungsfähiges diagnostisches Werkzeug dienen.

Computermodelle sollen Wissenslücken schließen

Allerdings stoßen bestehende Terahertz-Bildgebungsverfahren erhebliche Einschränkungen. Die meisten vorhandenen Ansätze stützen sich vor allem auf Unterschiede im Wassergehalt zwischen gesundem und erkranktem Gewebe als Hauptquelle für den diagnostischen Kontrast – ein Ansatz, der sich bei komplexen Krankheitsbildern als zu vereinfachend erweist. Zudem sind Polarisationmessungen reflektierter Terahertz-Wellen zwar wertvoll für die Gewebediagnostik, aber die zugrundeliegenden Mechanismen, die zu unterschiedlichen Polarisationsantworten im Gewebe führen, sind bislang nur unzureichend verstanden. Diese Wissenslücke unterstreicht die Notwendigkeit von Computermodellen, die die experimentell beobachteten Phänomene erklären und vorhersagen können.

Um diese Herausforderungen zu adressieren, führte ein Forschungsteam unter der Leitung von Hassan Arbab von der Stony Brook University in New York, USA, eine umfassende Studie durch, die mathematische Modellierung, fortgeschrittene Computersimulationen und experimentelle Validierung kombiniert, um zu verstehen, wie Terahertz-Wellen auf Gewebestrukturen reagieren. Wie im „Journal of Biomedical Optics“ berichtet, modellierten die Forschenden, wie polarisiertes Terahertz-Licht mit mikroskopischen Merkmalen interagiert, die sich zwischen gesundem und erkranktem bzw. geschädigtem Gewebe unterscheiden.

Simulation mit Polypropylenpartikeln

Die Forschenden verwendeten zunächst Monte-Carlo-Simulationen – eine leistungsstarke Rechenmethode –, um zu modellieren, wie Terahertz-Wellen an kugelförmigen Partikeln streuen, die in stark absorbierenden biologischen Medien eingebettet sind. Diese Partikel unterschiedlicher Durchmesser können krankheitsbedingte Strukturen wie Tumorcluster oder die Zerstörung von Haarfollikeln und Schweißdrüsen bei Verbrennungen darstellen. Zur Validierung der Modelle erstellte das Team Gewebephantome aus Polypropylenpartikeln unterschiedlicher Größe, die in Gelatine suspendiert wurden und die optischen Eigenschaften von echtem Gewebe nachahmen.

Die Simulation offenbarte zwei Schlüsselparameter – die Intensität des diffus gestreuten Lichts und dessen Polarisationsgrad –, die sich vorhersagbar mit Partikelgröße und -konzentration verändern. Bemerkenswert ist, dass das Team zeigen konnte, dass eine Charakterisierung der relevanten Polarisationsparameter des Gewebes mit nur einer einzigen Polarisationsmessung möglich ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die mindestens vier Messungen erfordern.

Korrelation mit Partikelgröße

Experimentelle Ergebnisse aus den Gewebephantomen bestätigten die Simulationsvorhersagen und zeigten klare, frequenzabhängige Muster, die mit der Partikelgröße korrelierten. Wie erwartet, erzeugten größere Streupartikel eine höhere Intensität des diffus gestreuten Lichts. Sie führten auch zu ausgeprägten Polarisationsminima bei bestimmten Frequenzen, die zur Abschätzung der Partikelgröße genutzt werden können. Schließlich demonstrierten die Forscher das klinische Potenzial ihres Ansatzes, indem sie ein polarimetrisches Bild einer induzierten Verbrennung in Schweinehautproben aufnahmen und einen deutlichen Kontrast zwischen verbrannten und gesunden Geweberegionen nachwiesen.

Die Fähigkeit, mikroskopische strukturelle Veränderungen im Gewebe zu erkennen und zu charakterisieren, eröffnet neue Möglichkeiten für die Früherkennung von Krebs, um die Patientenergebnisse zu verbessern. Insbesondere könnte die Terahertz-Polarimetrie bei der Identifizierung von Tumor Budding hilfreich sein, bei dem kleine Krebszellcluster vom Haupttumor abgelöst werden. Während aktuelle Methoden auf Gewebeproben und aufwendige Färbeverfahren angewiesen sind, bietet die Terahertz-Polarimetrie eine potenziell einfachere und effizientere Alternative zur Detektion dieser Cluster.

Zukünftig plant das Forschungsteam, seine Studien auf echte Krebsgewebeproben auszuweiten und die Terahertz-Messmöglichkeiten weiterzuentwickeln, um noch kleinere Gewebemerkmale zu erfassen. Mit Terahertz-Systemen größerer Bandbreite, die derzeit entwickelt werden, könnten polarimetrische Techniken Strukturen von nur 10–30 μm auflösen und so die Detektion eines breiteren Spektrums krankheitsbedingter Gewebeveränderungen ermöglichen.

Mit dem weiteren Fortschritt der Terahertz-Technologie markieren die Ergebnisse dieser Studie einen Schritt hin zur Integration in die routinemäßige medizinische Diagnostik und könnten die Art und Weise, wie Krankheitsverläufe erkannt und überwacht werden, grundlegend verändern.