Fluoreszenzdiagnostik

Einführung

Trotz Ultraschall, Röntgen, Kernspin und anderen bildgebenden Diagnoseverfahren ist der Operateur letztlich auf sein geschultes Auge angewiesen, wenn er vor dem Patienten steht und einen Krebsherd entfernen soll. Im Detail ist dann die Unterscheidung zwischen Tumorgewebe und Normalgewebe oft schwierig. Bei großen Tumoren ist die Abgrenzung zum Normalgewebe die Herausforderung, bei Frühkarzinomen die Erkennung an sich. Die Fluoreszenzdiagnostik soll hier Hilfestellung leisten, indem sie Tumore durch Fluoreszenz deutlich sichtbar darstellt.

Dazu wird dem Patienten ein Fluoreszenzfarbstoff (Fluorophor) verabreicht, der sich selektiv im Tumor anreichert. Wird das entsprechende Areal z. B. mit blauem Licht beleuchtet, so wandelt der Farbstoff dieses Licht aufgrund seiner Fluoreszenzeigenschaft in rotes um. Ein mit bloßem Auge kaum oder gar nicht erkennbarer Tumor hebt sich dadurch deutlich vom Hintergrung ab.

Man unterscheidet dabei zwei Vorgehensweisen: die Autofluoreszenzdiagnostik beschränkt sich auf die Untersuchung der körpereigenen (endogenen) Fluorophore, meist werden aber geeignete Farbstoffe vor der Untersuchung verabreicht (exogene Fluorophore). Weit verbreitet ist dabei ein Verfahren, bei dem dem Patienten die Vorläufersubstanz 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) verabreicht wird, worauf eventuell vorhandene Tumorzellen mit einer vermehrten Bildung und Anreicherung des eigentlichen Fluoreszenzfarbstoffes Protoporphyrin IX (PPIX) reagieren.

Beispiele

Hier das Beispiel eines bösartigen Gehirntumors. Links die Ansicht bei weißer Beleuchtung, rechts bei blauer Beleuchtung. Die rote Fluoreszenz (rechtes Bild), die ausschließlich im Tumorgewebe gebildet wird, wenn der Patient vor der Operation 5-ALA erhält, erleichtert die vollständige und gleichzeitig schonende Entfernung der Tumormasse. Unter Fluoreszenzsicht operierte Patienten haben nach unseren bisherigen Ergebnissen eine längere Überlebenszeit.

Diese Aufnahmen wurden über ein Endoskop aus der Harnblase gewonnen. Im linken Bild ist unter normaler Sicht nur ein Tumor zu erkennen. Erst die Fluoreszenzdarstellung rechts zeigt einen weiteren kleinen Tumor.

Fluoreszenznachweis

Zum Nachweis der Fluoreszenz muss das Gewebe mit Licht geeigneter Wellenlänge angeregt werden, wofür sich Laser, LED-Systeme oder gefilterte Lampensysteme einsetzen lassen. Die Fluoreszenz kann dann auf unterschiedliche Art und Weise erfasst werden:

• Bildgebend (Intensität ortsaufgelöst)
• Spektral (Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge)
• Zeitaufgelöst (Schnelligkeit des Abklingens der angeregten Moleküle)

Für klinische Anwendungen ist die bildgebende Darstellung, wie in den Bildbeispielen gezeigt, die praktikabelste Darstellungsform. Die spektralen und zeitaufgelösten Fluoreszenzerfassungen können jedoch wertvolle Zusatzinformationen liefern, insbesondere bei der Suche nach neuen tumorselektiven Substanzen.

Im Laser-Forschungslabor wurde insbesondere die endoskopische und operationsmikroskopische bildgebende Fluoreszenzdarstellung unter Verwendung 5-ALA mit industriellen Partnern bis zur klinischen Anwendungsreife entwickelt. In mehreren Bereichen laufen derzeit Zulassungsstudien. Zahlreiche deutsche Kliniken sind an diesen Studien beteiligt und setzen das Verfahren ein.

Intrazelluläre Herstellung des Fluorophors

5-ALA ist eine körpereigene Substanz, die Ausgangssubstanz für die Synthese von Häm ist, das für die Zellatmung benötigt wird. Das körpereigene 5-ALA ist jedoch immer nur in so geringer Menge vorhanden, dass auf dem Syntheseweg zum Häm keine Zwischenprodukte anreichern. Dies ändert sich, wenn 5-ALA von außen zugeführt wird: Insbesondere Tumorzellen nehmen 5-ALA auf und reichern den Vorläufer des Häm-Moleküls, PPIX an. PPIX ist in diesem Syntheseweg die einzige fluoreszierende Substanz und gleichzeitig ein Photosensibilisator, so dass eine wohldosierte Verabreichung von 5-ALA nicht nur die Tumor-Fluoreszenzdiagnostik sondern auch die Photodynamische Therapie ermöglicht.

Häm-Biosynthese: Bei extrazellulärem Angebot von 5-ALA kommt es in den Mitochondrien zu einer Anreicherung von rot fluoreszierendem PPIX.

Die Produktion des Fluorophors durch die Körperzellen selbst bietet viele Vorteile gegenüber der Verabreichung eines synthetischen Fluorophors:

• Geringe Nebenwirkungen.
• Schnelle Umwandlung und Ausschleusung aus dem Körper.
• Hoher Kontrast, weil das Fluorophor nicht nach der Verabreichung zirkuliert und unspezifische Fluoreszenz verursacht.
• Hoher Kontrast, weil Binde- und Muskelgewebe kaum PPIX akkumulieren.

Neue Fluorophore für die Fluoreszenzdiagnostik

Speziell für die Diagnostik von Harnblasentumoren werden derzeit zwei neue Substanzen getestet, eine modifizierte Form von 5-ALA und der Naturstoff Hypericin (Wirkstoff im Johanniskraut). Die Gründe, überhaupt nach neuen Substanzen zu suchen liegen in folgenden Unzulänglichkeiten von 5-ALA:

• Es werden häufig entzündliche, aber nicht bösartige Gewebeveränderungen unerwünschterweise fluoreszenzmarkiert (geringe Spezifität).
• Gelegentlich ist die Akkumulation im Tumorgewebe inhomogen.
• Die Fluoreszenz bleicht während der Beleuchtung rasch aus.

Mit einer chemischen Modifizierung des 5-ALA (Hexyl-ALA) konnte die Gewebepenetration verbessert werden, so dass wesentlich geringere Konzentrationen zu einer eher verstärkten Kontrastierung führen.

Hypericin lässt sich wie 5-ALA oder Hexyl-ALA zur Verabreichung in die Blase instillieren und führt zu einer hoch tumorselektiven Fluoreszenz, die so gut wie kein Ausbleichen zeigt. Erfreulicherweise ist das für 5-ALA entwickelte Equipment auch für die Fluoreszenzbildgebung mit Hexyl-ALA und Hypericin geeignet.