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Medizinische Bildgebung «Zurich Blue», ein Nanofarbstoff nach antikem Vorbild

Von Andrea Six 2 min Lesedauer

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt
EMPA Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Für die medizinische Bildgebung sind innovative Kontrastmittel gefragt. Der Materialforscher Robert Nissler hat daher einen ultrahellen Nano-Nahinfrarotfarbstoff entwickelt, der hochaufgelöste Bilder von Gehirnstrukturen liefern soll. Im antiken Ägypten schätzte man den Vorläufer des kupferhaltigen «Zurich Blue» bereits wegen seiner strahlend blauen Farbe.

Exquisite Farbpalette: der Nanofarbstoff «Zurich Blue».(Bild: Empa)
Exquisite Farbpalette: der Nanofarbstoff «Zurich Blue».
(Bild: Empa)

Will man Krankheiten erkennen und medizinische Behandlungen überwachen, kommen bildgebende Verfahren zum Einsatz. Hierzu müssen innovative Kontrastmittel mit den Neuerungen der radiologischen Möglichkeiten mithalten. Ein Team um Robert Nissler und Inge Herrmann vom «Nanomaterials in Health»-Labor der Empa in St. Gallen, der ETH Zürich, der Universitätsklinik Balgrist und der Universität Zürich hat daher einen Nanofarbstoff entwickelt, der hochaufgelöste Bilder von Gehirnstrukturen ermöglicht.

Strahlend blaue Farbe 

Der Materialforscher Robert Nissler brachte die Herstellung von «Zurich Blue» im Team von Inge Herrmann voran.(Bild: Empa)
Der Materialforscher Robert Nissler brachte die Herstellung von «Zurich Blue» im Team von Inge Herrmann voran.
(Bild: Empa)

Einen vielversprechenden Kandidaten fand das Team in einem historischen kupferhaltigen Material, dem sogenannten Ägyptisch Blau. Das Pigment gehört zu den ersten jemals künstlich hergestellten Farbstoffen der Menschheitsgeschichte und wurde bereits vor über 4500 Jahren verwendet, etwa für Wandmalereien, auf antiker Keramik und ägyptischen Statuen.

Ausser seiner leuchtend blauen Farbe, die mit dem blossen Auge wahrnehmbar ist, offenbart Ägyptisch Blau sein Geheimnis vor speziellen Kameras, sobald es im Dunkeln mit Nah-Infrarotlicht beschienen wird: Es fluoresziert und strahlt Licht ab.

Skalierbar und schonend 

In der Flamme gereift: Während das alkoholische Lösemittel brennt, bilden sich Metalloxid-Nanopartikel im Syntheselabor der ETH Zürich.(Bild: Empa)
In der Flamme gereift: Während das alkoholische Lösemittel brennt, bilden sich Metalloxid-Nanopartikel im Syntheselabor der ETH Zürich.
(Bild: Empa)

Die Fluoreszenzeigenschaft in langwelligem Licht war für die Forschenden äusserst interessant, wobei die Herausforderung darin bestand, den Rohstoff so schonend zu verarbeiten, dass zweidimensionale Nanostrukturen entstehen, die während des Verfahrens ihre faszinierende Leuchtkraft behalten. Robert Nissler setzte hierfür die sogenannte Flammensynthese ein, was den historischen Herstellungsprozess komplett umkehrt: Statt Kupfererz zu zerkleinern und mit Hitze zu verarbeiten, bis ein feines Pigment entsteht, ging Nissler von Nanopartikeln aus, die während der Flammensynthese zunächst Metalloxid-Partikel bilden, die schliesslich durch Laserbestrahlung zu zweidimensionalen ultrahellen Nanoschichten aufgebaut werden. «Das Verfahren ist nicht nur schonend und kontrollierbar, es ist auch für den industriellen Massstab skalierbar», so Robert Nissler.

Potenzial für Diagnostik und Therapie 

Satt und blau: Eine Immunzelle hat sich eine Portion «Zurich Blue» gegönnt. Für die Aufnahme haben die Forschenden Hellfeld-Mikroskopie mit Nahinfrarot-Fluoreszenz kombiniert.(Bild: R. Nissler, I. Herrmann, Advanced Materials)
Satt und blau: Eine Immunzelle hat sich eine Portion «Zurich Blue» gegönnt. Für die Aufnahme haben die Forschenden Hellfeld-Mikroskopie mit Nahinfrarot-Fluoreszenz kombiniert.
(Bild: R. Nissler, I. Herrmann, Advanced Materials)

Teamleiterin Inge Herrmann ist zufrieden: «Das neue Hybridmaterial eignet sich für superhochauflösende Bildgebung in Echtzeit.» Beispielsweise könne man den Weg einzelner Immunzellen im Gewebe verfolgen, die sich den Nanofarbstoff zuvor einverleibt hätten, so die Ingenieurin. Was bisher in Laborexperimenten in Zusammenarbeit mit Bildgebungsexperten um Daniel Razansky von der ETH und der Universität Zürich vielversprechend aussieht, soll in einem nächsten Schritt für die klinische Anwendung vorangebracht werden. Ausser diagnostischen Möglichkeiten sehen die Forschenden hier auch das Potenzial, therapeutische Wirkstoffe an den Nanofarbstoff zu koppeln, um neuartige Therapien mit integrierter Bildgebung zu entwickeln.

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