Neue hochauflösende Röntgenbildgebungstechnik kann biologische Proben abbilden, ohne Schäden zu verursachen

Ein Pollenkörner, der den Nanoschaum im Inneren zeigt, oder eine Kieselalge, bei der die einzelnen geometrischen Strukturen im Inneren deutlich sichtbar sind: Mit hochenergetischer Röntgenstrahlung der Synchrotronlichtquelle PETRA III bei DESY ist es einem Team um die CFEL-Wissenschaftler Saša Bajt und Henry Chapman gelungen Sie können diese Strukturen abbilden, ohne sie zu beschädigen.

Ihre neue Technik erzeugt hochauflösende Röntgenbilder von getrocknetem biologischem Material, das zuvor nicht eingefroren, beschichtet oder anderweitig verändert wurde – und das alles mit geringer oder gar keiner Beschädigung der Probe. Mit dieser Methode, die auch beim Gepäckscannen am Flughafen eingesetzt wird, können Bilder des Materials mit Nanometerauflösung erzeugt werden.

Durch die Verwendung hochenergetischer Röntgenstrahlen, die durch eine Reihe neuartiger Beugungslinsen intensiv fokussiert werden, ermöglicht die spezielle Technik eine Bildgebung bei weniger als 1 % der Röntgenschädigungsschwelle der Probe. Die Ergebnisse, die diese Methode als vielversprechendes Werkzeug für hellere Lichtquellen der nächsten Generation wie das geplante Upgrade-Projekt PETRA IV zeigen, wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Licht: Wissenschaft und Anwendungen.

Röntgenlicht interagiert auf vielfältige Weise mit biologischem Material, meist abhängig von der Energie und Intensität des Lichts. Gleichzeitig sind Strahlenschäden, wie kleine Strukturveränderungen bis hin zum vollständigen Abbau der Probe, der limitierende Faktor bei der Röntgenbildgebung biologischer Proben.

Bei niedrigen Energien wird die Röntgenstrahlung hauptsächlich von den Atomen in der Probe absorbiert, deren Elektronen die Energie aufnehmen, wodurch sie aus den Atomen herausspringen und die Probe schädigen. Bilder mit diesen niederenergetischen Röntgenstrahlen bilden somit die Absorption der Strahlung durch die Probe ab. Bei höheren Energien ist eine Absorption weniger wahrscheinlich und es kommt zu einem Prozess namens elastische Streuung, bei dem die Röntgenphotonen wie Billardkugeln von der Materie „abprallen“, ohne ihre Energie abzugeben.

Techniken wie die Kristallographie oder die Ptychographie nutzen diese Wechselwirkung. Dennoch kann es zu einer Absorption kommen, sodass es trotzdem zu einer Schädigung der Probe kommt. Aber es gibt noch eine dritte Wechselwirkung: die Compton-Streuung, bei der die Röntgenstrahlen nur einen winzigen Teil ihrer Energie im Zielmaterial hinterlassen. Die Compton-Streuung wurde als praktikable Methode der Röntgenmikroskopie weitgehend ignoriert, da sie noch höhere Röntgenenergien erfordert, für die es bisher keine geeigneten hochauflösenden Linsen gab.

„Wir haben die Compton-Streuung verwendet und herausgefunden, dass die Energiemenge, die pro Anzahl der detektierbaren Photonen in eine Probe eingebracht wird, geringer ist als bei diesen anderen Methoden“, sagt Chapman, ein führender Wissenschaftler bei DESY und Professor an der Universität Hamburg und Erfinder verschiedener Röntgentechniken an Synchrotrons und Freie-Elektronen-Lasern.

Der Vorteil einer geringen Dosis in der Probe stellte eine Herausforderung für die Herstellung geeigneter Linsen dar. Hochenergetische Röntgenstrahlen durchdringen alle Materialien und werden kaum gebrochen oder gebogen, wie es zur Fokussierung erforderlich wäre. Bajt, Gruppenleiter am CFEL, leitete die Bemühungen zur Entwicklung einer neuen Art von Brechungslinsen, den sogenannten mehrschichtigen Laue-Linsen. Diese neue Optik besteht aus über 7300 Nanometer dünnen, abwechselnden Schichten aus Siliziumkarbid und Wolframkarbid, aus denen das Team ein holographisches optisches Element konstruierte, das dick genug war, um den Röntgenstrahl effizient zu fokussieren.

Mit diesem Linsensystem und der PETRA III-Beamline P07 bei DESY bildete das Team eine Vielzahl biologischer Materialien ab, indem es Compton-Streudaten erfasste, während die Probe durch den fokussierten Strahl geleitet wurde. Diese Art der Rastermikroskopie erfordert eine sehr helle Quelle – je heller, desto besser – die auf einen Punkt fokussiert ist, der die Bildauflösung definiert.

PETRA III ist eine der Synchrotronstrahlungsanlagen weltweit, die bei hohen Röntgenenergien hell genug ist, um auf diese Weise in angemessener Zeit Bilder aufnehmen zu können. Ihr volles Potenzial könnte die Technik mit der geplanten PETRA IV-Anlage entfalten.

Um die Methode zu testen, verwendete das Team ein Cyanobakterium, eine Kieselalge und sogar ein direkt außerhalb des Labors gesammeltes Pollenkörner („ein sehr lokales Exemplar“, lacht Bajt) als Proben und erreichte jeweils eine Auflösung von 70 Nanometern.

Darüber hinaus erreichte die Compton-Röntgenmikroskopie im Vergleich mit Bildern, die von einer ähnlichen Pollenprobe mit einem herkömmlichen kohärenten Streubildgebungsverfahren bei einer Energie von 17 keV erhalten wurden, eine ähnliche Auflösung bei einer 2000-mal geringeren Röntgendosis. „Als wir die Proben nach dem Experiment noch einmal mit einem Lichtmikroskop untersuchten, konnten wir keine Spur davon erkennen, wo der Strahl mit ihnen in Kontakt gekommen war“, erklärt sie – und bedeutet, dass keine Strahlenschäden zurückgeblieben sind.

„Diese Ergebnisse könnten sogar noch besser sein“, sagt Chapman. „Idealerweise würde ein Experiment wie dieses einen kugelförmigen Detektor verwenden, da die aus der Probe austretenden Röntgenstrahlen von der Probe aus in alle Richtungen wandern. Auf diese Weise ähnelt es ein wenig einem Teilchenphysik-Kollisionsexperiment, bei dem man sammeln muss.“ Daten in alle Richtungen.

Darüber hinaus wies Chapman darauf hin, dass das Bild der Cyanobakterien im Vergleich zu den anderen relativ unauffällig sei. Allerdings deuten die Daten darauf hin, dass bei einer höheren Helligkeit, wie sie etwa beim geplanten PETRA-IV-Upgrade der Fall ist, einzelne Organellen und sogar Strukturen in drei Dimensionen sichtbar werden würden – bis zu einer Auflösung von 10 nm, ohne dass Schäden ein Problem wären. „Die einzige Einschränkung dieser Technik war tatsächlich nicht die Art der Technik selbst, sondern vielmehr die Quelle, nämlich ihre Helligkeit“, sagt Bajt.

Mit einer helleren Quelle könnte die Methode dann zur Abbildung ganzer, nicht geschnittener Zellen oder Gewebe verwendet werden, was die Kryo-Elektronenmikroskopie und die hochauflösende optische Mikroskopie ergänzt, oder zur Verfolgung von Nanopartikeln innerhalb einer Zelle, beispielsweise zur direkten Beobachtung der Arzneimittelabgabe. Aufgrund der Eigenschaften der Compton-Streuung eignet sich diese Methode auch ideal für nichtbiologische Anwendungen, beispielsweise zur Untersuchung der Mechanik des Ladens und Entladens von Batterien.

„So etwas wie diese Technik gibt es in der Literatur noch nicht“, sagt Bajt, „also gibt es für die Zukunft noch viel zu erforschen.“