title: Neue Anwendungsgebiete für die Multispektrale Optoakustische Tomographie im Gastrointestinaltrakt
Creators: name: Regensburger, Adrian Philip
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Hintergrund und Ziele Die optoakustische/photoakustische Bildgebung (OAI/PAI) nutzt Laserlicht, um eine thermoelastische Expansion von Molekülen zu erzeugen. Die zurückgesandten Schallwellen können detektiert und mittels spektralen Entmischens verschiedenen Chromophoren, sowohl endogenen (z.B. Hämoglobin) als auch exogenen (z.B. Indocyaningrün (ICG)), zugeordnet und quantifiziert werden. In translationalen Studien konnte bereits gezeigt werden, dass mittels OAI verschiedene gastrointestinale Pathologien detektiert werden können. Die mittels Multispektraler Optoakustischer Tomographie (MSOT) gemessene Signalstärke für Hämoglobin in der Darmwand als Zeichen für Entzündung stimmte beispielsweise mit der Krankheitsschwere von erwachsenen Patienten mit M. Crohn überein. Durch oral zugeführtes ICG konnten im Tiermodell bereits funktionelle Parameter zur Magenentleerung erhoben werden. In dieser Arbeit wurden neue Anwendungsgebiete der MSOT im Gastrointestinaltrakt in ersten Pilotstudien untersucht. Die erste (i) Hypothese war, dass auch bei Kindern mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) die MSOT Hämoglobinsignale mit Krankheitsaktivität und Vergleichsmethoden (z.B. Ultraschall und Endoskopie) korrelieren. Die zweite (ii) Hypothese war, dass oral zugeführte Farbstoffe (ICG) auch im Menschen genutzt werden können, um die Magen-Darm-Passage nicht-invasiv aufzuzeichnen. Methoden Für die genannten Hypothesen wurden zwei getrennte, prospektive Pilot-Studien durchgeführt. i) Es wurden Kinder (2-18 Jahre) mit vermuteter oder bereits diagnostizierter CED, entsprechend Colitis Ulcerosa (UC), Morbus Crohn (CD) oder nicht-klassifizierbare CED (IBD-U)), rekrutiert. Bei allen Patienten wurden mittels eines MSOT Prototypen das terminale Ileum und das Kolon sigmoideum untersucht und die Signalintensitäten für oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin, die Sauerstoffsättigung und Einzelwellenlänge 800nm quantifiziert. Die Ergebnisse wurden zwischen den Gruppen und mit Standardverfahren zur Erhebung der Krankheitsaktivität (klinische Scores, Blut- und Stuhluntersuchungen, Ultraschall, Endoskopie, Histopathologie und Magnetresonanztomographie) verglichen. ii) In Phantomversuchen wurden die optoakustischen Eigenschaften von ICG in Speisebrei in Abhängigkeit von Konzentration und pH-Wert untersucht. In der anschließenden Studie wurden gesunde Probanden (&gt;18 Jahre) rekrutiert. Bei allen Probanden wurde mittels eines CE-zertifiziertem MSOT Magenantrum, terminales Ileum, Querkolon und Kolon sigmoideum an zwei Tagen zu je acht Messzeitpunkten untersucht. Am ersten Tag erhielten alle Probanden ein Frühstück ohne und am zweiten Tag mit ICG. Es wurde die MSOT Signalstärke für ICG ermittelt und zwischen den Tagen verglichen. Die ICG Ausscheidung im Stuhl wurde mittels Fluoreszenzbildgebung überprüft. Ergebnisse und Beobachtungen i) Es wurden 23 Kinder, davon 7 mit CD, 6 mit UC und 10 Kontrollen, in die Studie eingeschlossen. Das MSOT Signal für Gesamthämoglobin (HbT) war im terminalen Ileum von Kindern mit CD signifikant höher als bei Kontrollen (72,1±13,0 a.u. vs. 32,9±15,4 a.u., p=0,0049). Insbesondere war das deoxygenierte Hämoglobin erhöht (24,1±13,1 a.u. vs. 50,0±16,8 a.u., p=0,0228). Im Kolon sigmoideum war das MSOT HbT bei Patienten mit UC höher als bei Kontrollen (35,1±16,3 a.u. vs. 62,9±13,8 a.u., p= 0,0311), mit erhöhtem Anteil von oxygeniertem Hämoglobin (7,6±4,5 a.u. vs. 20,2±7,5 a.u., p=0,0162). Eine Korrelation der MSOT Signalintensitäten für Hämoglobin mit den Routinediagnostika zeigte eine teils gute Übereinstimmung zwischen CD Patienten und Kontrollen (z.B. SES-CD und SWL800 (rs=0,78, p=0,0017)) und zwischen UC Patienten und Kontrollen (z.B. UCEIS score und HbO2 (rs=0,63, p=0,0193). ii) Zunächst wurden die optoakustischen Eigenschaften von ICG im Phantom untersucht. Im Phantomversuch konnten ICG Konzentrationen bis minimal 0,106µM detektiert werden; Veränderungen des pH-Wertes hatten keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Eine ICG Konzentration zwischen 10,6 und 212µM war notwendig, um einen spezifischen optoakustischen Signalpeak bei 800nm zu erreichen. In der anschließenden Studie wurden 10 gesunde Probanden eingeschlossen. Das MSOT ICG Signal konnte im terminalen Ileum nach 2,5 Stunden und bis zum Folgetag detektiert und quantifiziert werden. Im Kolon sigmoideum trat das Signal frühestens nach 24 Stunden auf. Die rektale Ausscheidung konnte mittels Fluoreszenzbildgebung bestätigt werden. Schlussfolgerungen und Diskussion Die Pilotstudien zeigen neue Anwendungsgebiete für die (Kontrastmittel verstärkte-) Multispektrale Optoakustische Tomographie im Bereich des Gastrointestinaltrakts. Es konnte bestätigt werden, dass auch bei Kindern die Krankheitsaktivität von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen mittels MSOT nicht-invasiv bewertet werden kann. Durch den Einsatz von oral zugeführten Farbstoffen konnte zudem die Magen-Darm-Passage schonend aufgezeichnet werden. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die funktionelle Überprüfung der Magen-Darm-Passage bei verschiedenen Erkrankungen.