Dynamisch fokussierte photoakustische Mikroskopie der Angiogenese in vivo

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Gerhardt; Professor Jan Laufer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329389797

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die photoakustische Mikroskopie mit optischer Auflösung (OR-PAM) ist ein bildgebendes Verfahren, das die hohe räumliche Auflösung der optischen Mikroskopie mit der Spezifität für endogene Kontrastmittel wie Hämoglobin kombiniert. Da sie eine funktionelle, quantitative Abbildung z. B. des Blutflusses und der Sauerstoffversorgung des Blutes ermöglicht, hat sie großes Potential als Forschungsinstrument für die Gefäßbiologie. In dieser Arbeit wurde ein OR-PAM-System mit einem planaren Fabry-Pérot (FP)-Ultraschallsensor für die funktionelle Bildgebung von Blutgefäßsystemen in Kleintiermodellen entwickelt. Die technologischen Neuerungen betreffen sowohl die entwickelten FP-Sensoren als auch die Optiken des OR-PAM-Systems. Im Rahmen des Projekts wurde ein neuartiger planarer FP-Sensor entwickelt. Für die Entwicklung wurden verschiedene Polymere und Schichtdicken getestet. Die Transparenz des FP-Sensors für Wellenlängen im sichtbaren und nahen infraroten Spektrum ermöglicht die Integration des entwickelten OR-PAM-Systems mit anderen optischen Bildgebungsmodalitäten, speziell der Multiphotonenmikroskopie, was eine gleichzeitige morphologische Bildgebung von Endothelzellen im Inneren von Blutgefäßen und eine funktionelle Bildgebung des Blutes, sowie weitergehende Studien der Einflusses der Blutsauerstoffsättigung auf die vaskuläre Entwicklung, ermöglichen könnte. Das in diesem Projekt entwickelte OR-PAM System zeichnet sich durch eine breitbandige Ultraschalldetektion, der Möglichkeit der Erzeugung und Detektion von photoakustischen (PA) Wellen im sogenannten Rückwärtsmodus und hohe akustische Empfindlichkeit aus, da der Abstand zwischen der PA-Quelle und dem FP-Detektor minimal ist. Die 3D-Bildgebungsfähigkeiten des Systems wurden an einem Blattskelett-Phantom und in vivo an einem Zebrafisch-Embryo demonstriert. Für die spektroskopische Bestimmung der Sauerstoffversorgung des Blutes aus den erfassten Bildern umfasst das System eine Mehrwellenlängenanregung, die ebenfalls in Gewebephantomen getestet wurde. Zur quantitativen Darstellung der Blutflussgeschwindigkeit wurde ein schneller Bildaufnahmemodus entwickelt, der eine Scanrate von 100.000 A-Linien/s erreicht. Das entwickelte OR-PAM-System ebnet den Weg, um die molekulare und funktionelle photoakustische Bildgebung in Studien mit gefäßbiologischen Anwendungen zu translatieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Backward-mode Optical-Resolution Photoacoustic Microscopy Using a Planar Fabry-Pérot Ultrasound Sensor. SPIE Photonics West 2019, San Francisco, USA. Posterpräsentation
  Ulrike Pohle, Elisabeth Baumann, Silvio Pulwer, Claus Villringer, Edward Zhang, Holger Gerhardt & Jan Laufer
  
• Backward-mode optical-resolution photoacoustic microscope for funtional imaging using a planar Fabry-Pérot ultrasound sensor. SPIE Photonics West 2020, San Francisco, USA. Posterpräsentation
  Elisabeth Baumann, Ulrike Pohle, Thomas Allen, Edward Zhang, Holger Gerhardt & Jan Laufer
  
• Fast optical and acoustic-resolution photoacoustic microscopy using structured interrogation of a Fabry-Pérot sensor. SPIE Photonics West 2020, San Francisco, USA. Konferenzvortrag
  Ulrike Pohle, Elisabeth Baumann, Claus Villringer, Silvio Pulwer, Edward Zhang, Thomas J. Allen, Robert Nuster & Jan Laufer
  
• A backward-mode optical-resolution photoacoustic microscope for 3D imaging using a planar Fabry-Pérot sensor. Photoacoustics, 24, 100293.
  Baumann, Elisabeth; Pohle, Ulrike; Zhang, Edward; Allen, Thomas; Villringer, Claus; Pulwer, Silvio; Gerhardt, Holger & Laufer, Jan
  
• A backward-mode optical-resolution photoacoustic microscope for functional 3D imaging. DPG Frühjahrstagung SKM 2023, Dresden, Germany. Posterpräsentation
  Elisabeth Baumann, Ulrike Pohle, Thomas Allen, Holger Gerhardt & Jan Laufer
  
• Evaluation of fabrication methods for Fabry-Perot polymer film ultrasound sensors. Opto-Acoustic Methods and Applications in Biophotonics VI, 33. SPIE.
  Lebek, Werner; Heyroth, Frank; Syrowatka, Frank; Villringer, Claus; Goerlitz, Sylvia & Laufer, Jan
  
• Reconstructing stochastic cell population trajectories reveals regulators and heterogeneity of endothelial flow-migration coupling driving vascular remodelling. Cold Spring Harbor Laboratory.
  Giese, Wolfgang; Rosa, André; Baumann, Elisabeth; Oppenheim, Olya; Akmeric, Emir B.; Andrade, Santiago; Hollfinger, Irene; Bartels-Klein, Eireen; Alt, Silvanus & Gerhardt, Holger