Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine Röntgenbeugungsmethode weiterentwickelt, die biologische Strukturen von der Nanometer- bis zur Millimeterskala erfasst – und die Messzeit dabei von etwa einem Tag auf rund eine Stunde verkürzt. Damit eröffnen sich vielseitige Möglichkeiten für die biomedizinische Forschung – von der Analyse von Knochen- und Gewebestrukturen bis hin zur Unterstützung bei der Entwicklung neuer Implantate.

Biologische Materialien sind von der Natur geschaffene Meisterwerke. Knochen etwa sind sehr hart, aber gleichzeitig auch elastisch genug, um bei seitlicher Belastung nicht leicht zu brechen. Diese Kombination von Eigenschaften verdanken sie ihrem hierarchischen Aufbau als Verbundmaterialien – also der Kombination von Materialien, die unterschiedliche Strukturen auf verschiedenen Grössenskalen aufweisen. Auch menschengemachte Verbundwerkstoffe sind ähnlich zusammengesetzt. Im Stahlbeton beispielsweise hält der Betonanteil, bestehend aus Zement und Sand, grossem Druck stand, während ein Stahlgeflecht für Zugfestigkeit und Querstabilität sorgt.

Für eine detaillierte Untersuchung solcher biologischen Materialien waren bislang in der Regel mehrere Instrumente nötig, wie etwa Elektronenmikroskope oder klassische Lichtmikroskope. Forschende am Zentrum für Photonenforschung des PSI haben nun eine vor zehn Jahren am Institut entwickelte Röntgenbeugungsmethode so verfeinert, dass sie damit Materialien gleichzeitig auf Längenskalen von Nanometern bis hin zu Millimetern deutlich schneller als bisher charakterisieren können. Statt wie früher rund einen Tag dauert eine vollständige Aufnahme nun nur noch etwa eine Stunde.

Um die Leistungsfähigkeit ihrer Methode zu demonstrieren, nutzten die Forschenden die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und machten die Ausrichtung der Kollagenfasern in einem menschlichen Gehörknöchelchen, dem sogenannten Amboss, sichtbar. Kollagenfasern sind fadenbündelartige Proteinstrukturen, die im Knochen für Zugfestigkeit und zugleich Elastizität sorgen. «Damit haben wir den Sprung von der wissenschaftlichen Methode zur Praxis geschafft», sagt Christian Appel, Postdoktorand und Erstautor der Studie. Die Ergebnisse wurden nun als Titelgeschichte im Fachjournal Small Methods veröffentlicht. Sie könnten künftig unter anderem bei der Untersuchung komplexer Gewebe, der Analyse von Knochenkrankheiten oder der Optimierung von Implantatdesigns wertvolle Dienste leisten.

Räumliche Auflösung durch Rastern

Röntgenstrahlen können einerseits zur klassischen Durchleuchtung benutzt werden, wie man sie vom Spital kennt. Was nicht vom Gewebe absorbiert wird, gelangt auf die andere Seite – und wird dort als Schattenbild sichtbar. Andererseits lassen sich mit Röntgenstrahlen wie jenen an der SLS auch Kristallstrukturen auf der Nanometerskala sichtbar machen, indem man das Phänomen der Interferenz ausnutzt.

Bei der Interferenz überlagern sich die elektromagnetischen Röntgenwellen, die von den regelmässig im Kristall angeordneten Atomschichten gestreut werden. Je nach Streurichtung legen sie unterschiedlich lange Wege zur Röntgenkamera zurück, wo sie registriert werden – und treffen dort mit verschiedenen Schwingungsphasen, also leicht verschoben in ihrem Wellengang ein. Dadurch können sie sich entweder verstärken oder gegenseitig auslöschen. Aus dem so entstehenden Interferenzmuster lässt sich dann die Kristallstruktur sowie deren Ausrichtung im Raum errechnen.

Feinste Kollagenfibrillen im Knochen sind nur auf der Nanometerskala sichtbar, während gröbere Gewebestrukturen im Mikro- bis Millimeterbereich erkennbar werden. Um beide Längenskalen gleichzeitig darstellen zu können, entwickelten Forschende um Marianne Liebi am PSI vor zehn Jahren eine spezielle Technik, die sogenannte Tensortomografie. Dabei wird die zu untersuchende Probe schrittweise und präzise um zwei Achsen gedreht. Ein nur etwa zwanzig Mikrometer breiter Röntgenstrahl erzeugt in jedem Schritt ein Interferenzmuster, das von einer Kamera aufgenommen wird. «Durch dieses Rastern werden nach und nach Informationen über die lokalen Kristalleigenschaften aufgenommen», erklärt Marianne Liebi, die auch leitende Autorin der neuen Studie ist.

Aus Millionen von Interferenzbildern errechnet ein Computerprogramm dann ein dreidimensionales Bild der gesamten Probe – ein sogenanntes Tomogramm. Dieser ganze Prozess dauerte anfangs bis zu einem Tag, wodurch statistische Studien mit Hunderten verschiedener Proben, wie sie in der modernen biomedizinischen Forschung gebraucht werden, kaum machbar waren. «Wir haben die Methode jetzt so weiterentwickelt, dass wir ein komplettes Tomogramm in einer guten Stunde aufnehmen können», sagt Meitian Wang, Strahllinienwissenschaftler und Mitautor der Studie. Eine breit angelegte Zusammenarbeit über mehrere Forschungsgruppen des PSI ermöglichte eine Verbesserung sowohl der Rastertechnik, bei der das Objekt extrem genau positioniert und in winzigen Schritten gedreht werden muss, als auch der Computersoftware, die aus den einzelnen Interferenzmustern das fertige Tomogramm errechnet.

Kollagenstrukturen im Knochen

«Um unsere verbesserte Methode zu testen, brauchten wir nun noch eine interessante Probe», sagt Appel. In Zusammenarbeit mit Forschenden am Universitätsspital Lausanne wurde ein winziges Ohrknöchelchen, Amboss genannt, gewählt – nur wenige Millimeter gross, aber entscheidend für das Hörvermögen. Über den Amboss wird Schallenergie vom Trommelfell zum Innenohr übertragen. Wird der Amboss beispielsweise aufgrund einer chronischen Mittelohrentzündung beschädigt, so ist es mitunter nötig, ihn teilweise durch eine Prothese zu ersetzen. Dafür wiederum würden Ärzte gerne wissen, wie es im Inneren des Ambosses genau aussieht.

Besonders aufschlussreich sind dabei die Kollagenstrukturen und deren räumliche Ausrichtung im Knochen. Im Knochen erfüllt das Protein Kollagen die Aufgabe des Stahlgeflechts im Stahlbeton: Es sorgt für Stabilität und zugleich Elastizität. Die Richtung der Kollagenfasern kann Aufschluss darüber geben, wie eine Prothese am besten anzubringen ist. Aus den Interferenzmustern, die beim Röntgenrastern aufgenommen wurden, konnte das Computerprogramm errechnen, wie die Kollagenfasern durchschnittlich in vielen winzigen, nur 20 mal 20 mal 20 Mikrometer grossen Abschnitten des Ambosses ausgerichtet sind. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 50 Mikrometer.

Mit der neuen SLS werden die Forschenden diese bereits sehr hohe Auflösung künftig nochmals deutlich verbessern können. Die Grösse des Röntgenstrahls wird dann auf wenige Mikrometer schrumpfen und dank höherem Röntgenfluss routinemässig schnellere Messungen ermöglichen. «Durch die Kombination besserer Auflösung und höherer Messgeschwindigkeit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Tensortomografie, gerade in biomedizinischen Anwendungen», sagt Christian Appel.