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13.04.2018
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Hochenergie-Röntgenverfahren ermöglicht 3D-Bilder intakter biologischer Zellen

Neuartiges Mikroskopkonzept reduziert Strahlungsdosis um den Faktor 1000

Ein Konzept für ein neuartiges Röntgenmikroskop eröffnet die Möglichkeit, dreidimensionale Bilder empfindlicher Objekte wie biologischer Zellen mit tausendmal weniger schädlicher Strahlung aufzunehmen als es bislang möglich ist. Dieses Mikroskop könnte ganze Zellen in ihrer natürlichen Umgebung mit Nanometer-genauer Auflösung aufnehmen, ohne dass sie tiefgefroren, zerschnitten oder gefärbt werden müssen. Die DESY-Forscher Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt und Henry Chapman vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) stellen ihr Konzept im Fachblatt „Optica“ vor. Die theoretische Arbeit liefert auch eine brillante Perspektive für den geplanten Ausbau von DESYs Speicherring PETRA III zu einer Röntgenquelle der nächsten Generation unter dem Namen PETRA IV.

Menschliche Blutzellen unter dem Rasterelektronenmikroskop. Bild: National Cancer Institute Linkhttps://visualsonline.cancer.gov/details.cfm?imageid=2129
Die Abbildung der Strukturen biologischer Zellen auf der Nanometerebene erfordert normalerweise Röntgenstrahlung, da erst deren kurze Wellenlänge in der Lage ist, die feinen Details räumlich aufzulösen. „Allerdings überträgt Röntgenstrahlung auch Energie, die biologische Proben sehr schnell zerstört“, erläutert Villanueva-Perez. Wie schnell sich solche Strahlungsschäden einstellen, hängt von den Eigenschaften des untersuchten Objekts sowie von der Energie der eingesetzten Röntgenstrahlung ab. In der Praxis sind Strahlungsschäden der begrenzende Faktor für Auflösung und Empfindlichkeit abbildender Röntgenverfahren.

Röntgenaufnahmen lassen sich auf verschiedene Weise gewinnen. Die vertrauten medizinischen Röntgenbilder von Zähnen oder Knochen beruhen auf der Röntgenabsorption – die dichten Knochen schlucken mehr Röntgenphotonen als das umliegende Gewebe und hinterlassen einen Schatten. Ein Röntgenmikroskop zur Abbildung von Zellen nutzt dagegen die sogenannte elastische Streuung von Röntgenphotonen in der Probe, um Bilder mit deutlich höherer Auflösung aufzunehmen. Das funktioniert ähnlich wie in einem optischen Mikroskop. Obwohl die elastische Streuung keine Energie auf die Probe überträgt, ist sie in allen bislang konstruierten Röntgenmikroskopen viel seltener als die Absorption. „In der Realität findet Streuung nicht statt, ohne dass ein Teil der Photonenergie in der Probe deponiert wird und zu Strahliungsschäden führt“, betont Villanueva-Perez.

Mit steigender Energie sinkt die Absorption von Röntgenphotonen. Hochenergetische Röntgenstrahlung galt allerding bislang nicht als brauchbar für hochauflösende Röntegnmikroskopie. Denn bei hohen Energien nimmt auch die elastische Röntgenstreuung ab, und die inelastische Röntgenstreuung gewinnt die Oberhand. Bei der inelastischen Streuung, die auch Compton-Streuung genannt wird, verliert das Röntgenphoton einen Teil seiner Energie an die untersuchte Probe, wenn es von einem Atom der Probe abprallt. Dabei verändert es auch seine Wellenlänge. Normalerweise führt dieser Prozess zu einem unerwünschten, strukturlosen Strahlungshintergrund und schädigt die Qualität von Probe und Bild.

Das Forscherteam erkannte jedoch, dass bei sehr hohen Röntgenenergien von 64 Kiloelektronenvolt (keV) bei derselben übertragenen Energie sehr viel mehr Compton-Streuung stattfindet als elastische Streuung bei den üblicherweise benutzten niedrigeren Photonenergien. Ein detailliertes Bild lässt sich daraus gewinnen, indem die Zelle mit einem scharf fokussierten Röntgenstrahl abgerastert und die Röntgenstreuung an jedem Punkt kartiert wird. Überraschenderweise zeigte die Analyse, dass sich auf diese Weise die Dosis bei derselben Auflösung um den Faktor 1000 reduzieren lässt. „Niemand hat daran gedacht, biologische Mikroskopie bei solch hohen Energien zu versuchen“, erläutert Chapman. „Ausreichend helle Röntgenquellen gab es nicht, es war nicht möglich, den Röntgenstrahl zu fokussieren, und es gab keine Detektoren dafür.“

Das Team hat für diese Herausforderungen Lösungen gefunden. So hat Bajts Gruppe erst kürzlich eine innovative Röntgenlinse aus einem künstlichen Mehrschicht-Metamaterial entwickelt, die den bislang kleinsten Röntgenfokus erzeugen kann. „Die Effizienz unserer Mehrschicht-Linsen nimmt mit steigender Energie stark zu, und sie erzeugen sogar einen kleineren Brennpunkt“, sagt Bajt. „Daher eignen sie sich ideal für so ein Mikroskop.“

Die gegenwärtig geplante Röntgenquelle PETRA IV wird deutlich hellere Röntgenstrahlen bei den hier nötigen hohen Photon-Energien liefern als es heute möglich ist. Bleibt noch der Detektor. „Der ideale Detektor sollte die Probe vollständig umschließen, um alle gestreuten Photonen in sämtlichen Richtungen aufzufangen“, sagt Villanueva-Perez. So ein Detektor existiert zwar noch nicht, lässt sich aber mit der bestehenden Technologie bauen. Wenn alle Zutaten zur Verfügung stehen, werden sie Forschern ermöglichen, ganze Zellen und Organellen mit einer Auflösung von wenigen Nanometern in allen drei Raumdimensionen und in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen und damit einen weit verbreiteten Wunsch von Biologen zu erfüllen. Zuvor planen die Forscher, ihr neuartiges Konzept mit biologischen Proben an den heute besten Röntgenquellen der Welt wie PETRA III mit konventionellen Detektoren zu testen. 

 

Originalarbeit: 
Dose efficient Compton X-ray microscopy; P. Villanueva-Perez, S. Bajt, and Henry N. Chapman; „Optica“, 2018; DOI: 10.1364/OPTICA.5.000450