Insekten im Röntgenblick

  • 08. November 2017

Neuer Computer­tomograph erreicht fast die Auflösung eines Raster­elektronen­mikroskops.

Computer­tomographie ist in Kranken­häusern eine Standard­prozedur. Für extrem kleine Untersuchungs­gegenstände war sie aber bislang nicht geeignet. Nun entwickelte ein Team der Tech­nischen Univer­sität München ein Nano-CT-Gerät, das dreidi­mensionale Röntgen­bilder mit besonders hoher Auflösung liefert. Erste Test-Anwendung: Gemeinsam mit Kollegen der Univer­sität Kassel und des Helmholtz Zentrums Geesthacht haben die Forscher den Bewegungs­apparat der urtüm­lichen Stummel­füßer ana­lysiert.

Abb.: Nano-CT-Aufnahmen eines Stummelfüßer-Beins in der Außenansicht (li.) und mit Blick ins Gewebe (re.) mit eingefärbten Muskelfasern (Bild: Müller, Pfeiffer, TUM / PNAS)

Abb.: Nano-CT-Aufnahmen eines Stummelfüßer-Beins in der Außenansicht (li.) und mit Blick ins Gewebe (re.) mit eingefärbten Muskelfasern (Bild: Müller, Pfeiffer, TUM / PNAS)

Bei einer CT-Analyse wird der Untersuchungs­gegenstand mit Röntgen­strahlen durch­leuchtet. Ein Detektor misst aus ver­schiedenen Winkeln, wieviel Strahlung jeweils absor­biert wird. Aus mehreren solcher Messungen lassen sich drei­dimensionale Bilder des Körper­inneren errechnen. Bei Objekten, die so klein sind, wie die 0,4 Milli­meter langen Beinchen von Stummel­füßern, stieß das Verfahren aller­dings bislang an seine Grenzen. Für hochauf­gelöste Aufnahmen wurde Strahlung aus Teilchen­beschleunigern benötigt.

Das neue Nano-CT-System basiert auf einer eigens ent­wickelten Röntgen­quelle, die einen besonders fokus­sierten Strahl erzeugt, und verzichtet auf Röntgen­optiken. In Kombi­nation mit einem extrem rausch­armen Detektor liefert das Gerät Bilder, die fast die Auflösung eines Raster­elektronen­mikroskops erreichen, erfasst aber auch Strukturen unter der Ober­fläche. „Unser System bietet ent­scheidende Vorteile gegen­über CTs mit Röntgen­optiken“, sagt Mark Müller. „Wir können Tomo­graphien von wesentlich größeren Proben durch­führen und sind zudem flexibler in Bezug auf die zu unter­suchenden Materialien.“

Diese Eigen­schaften kamen dem Team um Georg Mayer, Leiter des Fach­gebiets Zoologie der Univer­sität Kassel, gelegen. Die Wissen­schaftler erforschen die evolu­tionäre Ent­wicklung von Glieder­füßern (Arthro­poden), zu denen etwa Insekten, Spinnen und Krebse gehören. Ihr aktueller Forschungs­gegenstand sind allerdings die nächsten Verwandten der Arthro­poden: die Stummel­füßer (Onycho­phoren), die man sich grob als Würmer mit Beinen vorstellen kann. Je nach Art werden sie bis zu zwanzig Zenti­meter lang. Wie diese urtüm­lichen Tiere zoo­logisch genau einzu­ordnen sind, ist jedoch nach wie vor umstritten, vermutlich haben die Glieder­füßer und sie gemeinsame Vorfahren.

„Im Gegensatz zu den Arthro­poden besitzen Onycho­phoren unge­gliederte Extre­mitäten, wie sie auch bei Fossilien ihrer mut­maßlichen gemein­samen Vorfahren zu finden sind“, sagt Georg Mayer. „Um zu klären, wie die gegliederten Extremi­täten der Arthro­poden entstanden sind, spielt die Unter­suchung der funk­tionellen Anatomie der Beine der Stummel­füßer eine zentrale Rolle.“ Anhand der Nano-CT-Aufnahmen, lassen sich die einzelnen Muskel­stränge eines Stummel­füßer-Beinchens untersuchen. Detail­lierte Ergeb­nisse will das Team aus Kassel in den kommenden Monaten veröffent­lichen. Sicher ist aber bereits, dass das Nano-CT-Gerät den ersten Praxis­test bestanden hat.

„Unser Ziel bei der Entwicklung des Nano-CT-Systems ist es nicht nur, biolo­gische Proben wie das Stummel­füßer-Bein unters­uchen zu können“, sagt Franz Pfeiffer, Professor für Biomedi­zinische Physik an der TUM. „In Zukunft sollen mit dieser Technik auch biomedi­zinische Unter­suchungen möglich werden. So könnte man beispiels­weise Gewebe­proben unter­suchen, um zu prüfen, ob es sich bei ihnen um bös­artige Tumore handelt. Ein zerstörungs­freier und drei­dimensionaler Blick in Gewebe mit einer Auflösung, wie sie die Nano-CT ermöglicht, kann zudem neue Einsichten in die mikro­skopische Entstehung von Volks­krankheiten wie Krebs liefern.“

TUM / JOL

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