Zusammengetroffen sind Know-how und Ideen zur Anwendung des neuen Verfahrens auf der ersten Summer School des Center for Imaging Science and Technology (CIMST) an der ETH Zürich im Juli 2007. Dort traf der Physiker Martin Dierolf aus der Gruppe von Franz Pfeiffer, damals noch am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen, heute Professor an der Technischen Universität (TU) München, auf Roger Wepf, Leiter des Elektronen-Mikroskopie Zentrums der ETH Zürich (EMEZ). Er begeisterte ihn für das neue bildgebende Verfahren, das die Gruppe von Pfeiffer am PSI gerade etabliert hatte. Das Verfahren ermöglicht den Forschern, ähnlich wie bei der konventionellen Röntgen-Computertomographie (CT), das zu untersuchende Objekt zu durchleuchten und dreidimensional darzustellen, jedoch in einer viel höheren Auflösung.

Haarfeine Knochenprobe

Philipp Schneider, Leiter der Gruppe Knochenstruktur und Knochenfunktion am Institut für Biomechanik (IfB) der ETH Zürich, suchte zu jener Zeit nach einem derartigen Verfahren, um das interzelluläre Netzwerk innerhalb des Knochens, sowie die lokale Knochendichte, dreidimensional und hochauflösend erfassen zu können. Wepf fungierte als eine Art Bindeglied zwischen der Gruppe des PSI, der TU München und dem IfB. Hatte er bereits zuvor Proben für Studien von Schneider angefertigt, gab er nun für die spezielle Strahllinie des PSI die Präparation besonderer Proben am EMEZ in Auftrag: härchenfeine, 25 Mikrometer grosse Knochenproben einer Labormaus. Die Proben dienten sozusagen als Grundlage der Zusammenarbeit, deren Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift «Nature» publiziert wurden.

Während das Objekt bei der herkömmlichen CT aus unterschiedlichen Winkeln mit Röntgenstrahlen durchleuchtet wird und Detektoren die vom Objekt absorbierte Röntgenstrahlung messen, wird bei dem neuen Verfahren auch die vom Objekt abgelenkte, die sogenannte gestreute Strahlung, gemessen. Dies gelingt mit Hilfe eines speziellen Detektors, der am PSI entwickelt wurde und der in der Lage ist, die dabei erzeugten Röntgenstrahl-Photonen sehr genau und effizient auszulesen. Die gestreuten Röntgenstrahlen erzeugen für jeden Punkt ein Streubild, das Informationen über die genaue Nanostruktur und lokale Materialdichte liefert. Die Röntgenstreuung ist nämlich laut den Forschern auf allerkleinste Struktur- und Dichteänderungen sensitiv.

Die Streubilder werden anschliessend mit einem Algorithmus verarbeitet, den Pfeiffers Team entwickelt hat. Dieser Algorithmus kann aus den über hunderttausend Streubildern ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild der Probe errechnen. «Dabei berücksichtigt der Algorithmus nicht nur die klassische Röntgenabsorption, sondern die wesentlich sensitivere Beeinflussung der Phase der Röntgenwellen», sagt Dierolf. Deshalb müssen die Forscher beim neuen Nano-CT-Verfahren mit phasengleicher Röntgenstrahlung arbeiten, wie sie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI liefert.

Kleinste Dichteunterschiede sichtbar

Die auf diese Weise erstellten Aufnahmen der Knochenprobe lieferten für Schneider die benötigten Bilder: Querschnitte durch Hohlräume, in denen Knochenzellen eingebettet sind, und Querschnitte durch das rund 100 Nanometer feine Verbindungsnetzwerk, das sich zwischen diesen Hohlräumen befindet. «Für die Aufnahmen der Knochenprobe, mit einer Auflösung von 65 Nanometern, mussten über zwei Milliarden Detektorwerte prozessiert werden», sagt Schneider. «Sie ermöglicht uns nun kleinste Dichteunterschiede in der Knochenprobe extrem genau zu erkennen.»

Die Ausbildung dieses Netzwerkes und die Knochendichte geben wichtige Hinweise auf verschiedene Erkrankungsarten des Knochens, wie etwa der Osteoporose. Osteoporose ist die häufigste Stoffwechselerkrankung des Knochens, die vor allem in zunehmendem Alter auftritt und Knochen anfälliger für Brüche macht. Nach Angaben der Stiftung Osteoporose Schweiz erleidet jede zweite Frau und jeder vierte Mann über 50 Jahre einen durch Osteoporose bedingten Knochenbruch. «Aufgrund der anhaltenden demographischen Alterung unserer Gesellschaft führt dies laut einer kürzlich publizierten Modellrechnung zu einem Anstieg der direkten auf Osteoporose zurückzuführenden stationären Kosten von rund 700 Millionen Franken im Jahr 2000, auf 950 Millionen Franken im Jahr 2020», sagt Schneider.

Hilfreich für die Osteoporose-Forschung

«Das neue Nano-CT-Verfahren erreicht zwar nicht die Ortsauflösung, die derzeit in der Elektronenmikroskopie möglich ist, kann aber – aufgrund des hohen Durchdringungsvermögens von Röntgenstrahlung – dreidimensionale Tomographiebilder von Knochenproben liefern» freut sich Wepf. «Darüber hinaus zeichnet sich das neue Nano-CT-Verfahren durch seine hohe Genauigkeit in der Knochendichtebestimmung aus, welche gerade für die Knochenforschung von entscheidender Bedeutung ist.» Schneider ist davon überzeugt, das mit Hilfe des Verfahrens insbesondere die Frühphase der Osteoporose-Erkrankung genauer studiert, sowie Behandlungserfolge verschiedener Therapien in klinischen Studien evaluiert werden können.

Derzeit ist das neue Nano-CT-Verfahren wegen der benötigten kohärenten Strahlung noch an Synchrotronquellen wie der SLS gebunden. Zudem können nur Knochenproben ausserhalb des lebenden Organismus untersucht werden, da die benötigte Strahlendosis für Lebewesen derzeit noch zu hoch ist. Die neue Technik ist aber auch ausserhalb der Medizin sehr nützlich. Weitere Anwendungsfelder sind etwa die Entwicklung neuer Werkstoffe in den Materialwissenschaften oder die Charakterisierung von Halbleiterbauelementen, betonen die Wissenschaftler.

Literaturhinweis:

Dierolf M. et al.: ‘Ptychographic’ X-Ray Computed Tomography at the Nano-Scale. Nature, 23. September 2010 doi:10.1038/nature09419 (2010).