Ny röntgenteknik kan ge tio gånger skarpare bilder

Röntgenbilder som är tio gånger skarpare än idag kan bli verklighet i ett forskningsprojekt vid KTH. En förhoppning är att den nya metoden ska ge bättre möjligheter att tidigt lokalisera och diagnostisera tumörer.

Projektanslag 2016

Molecular X-Ray Micro Imaging

Huvudsökande:
Professor Hans Hertz

Medsökande:
KTH
Muhammet Toprak
Karolinska Institutet
Marie Arsenian Henriksson

Lärosäte:
KTH

Beviljat anslag:
33 090 000 kronor under fem år

Nya avbildningsmetoder som kan ge detaljrikare bilder är mycket efterlängtade både inom biomedicinsk forskning och i sjukvården. Idag används en rad olika tekniker, men alla har sina begränsningar. Röntgentekniken ger den bästa upplösningen med bilder på cirka 0,5 mm hos människa och ibland ner till 0,1 mm i djurmodeller. Men röntgenbilderna ger nästan bara strukturell information samtidigt som det blir allt viktigare att också kunna avbilda molekylär funktion för att förstå olika sjukdomsförlopp, förklarar Hans Hertz, professor i biomedicinsk fysik vid KTH.

– Med röntgen ser man framför allt benen. Med MR, magnetresonanstomografi, ser man en del funktion och med PET, positronemissionstomografi, kan man studera både molekylära processer och funktion, dock till priset av sämre upplösning, 1–2 mm. Vad vi söker efter nu är den heliga graalen: en kombination av både hög spatial upplösning och funktion.

I det nya projektet är målet att avbilda molekylär funktion med en upplösning på 0,1 mm, alltså tio gånger skarpare än idag. Hans Hertz gör en liknelse.

– En tidig upptäckt av tumörer är väsentligt för då hinner man ta dem innan de har hunnit sprida sig. Men låt oss säga att det skulle gå att upptäcka tumörerna när de är tio gånger mindre så skulle det vara än viktigare. Det är en realistisk förhoppning att vi ska kunna nå dit i djurmodeller.

Uppmärksammad röntgenkälla banar väg

Metoden baseras på en innovation av röntgentekniken som Hans Hertz och hans medarbetare på KTH började utveckla redan före millennieskiftet. Den nya röntgenkällan har fått stor uppmärksamhet och betraktas som det största genombrottet på området sedan 1930-talet. Röntgenkällan genererar fler fotoner per sekund och yta jämfört med äldre röntgenrör. Det ökar ljusstyrkan och öppnar för de nya tillämpningarna.

– Vår röntgenkälla är ljusstarkare än andra röntgenkällor och är helt väsentlig för det här projektet, men vi använder den också för andra projekt.

Innovationen kallas liquid metal jet technology och innebär i korthet att forskarna har bytt den fasta metallanoden i röntgenröret mot en stråle av flytande metall. På det sättet kan man höja effekten på elektronstrålen i röntgenapparaten utan att anoden riskerar att överhettas eller smälta, eftersom den redan befinner sig i flytande tillstånd. Den högre intensiteten i röntgenröret möjliggör kortare exponeringstider, vilket också är nödvändigt för att tekniken ska bli praktiskt användbar.

Avgörande stöd från Wallenbergstiftelsen

Som Wallenberg Scholar har Hans Hertz forskat vidare på möjliga tillämpningar och även det nya forskningsprojektet finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

– Wallenbergstiftelsens anslag är helt nödvändigt för att kunna bygga upp den multidisciplinära infrastruktur som krävs och för att kunna åstadkomma något som är utöver det vanliga med allt från avancerad röntgenfysik till smådjursexperiment och avancerad nanopartikelkemi.

Det omedelbara siktet är inställt på att utveckla metoden för djurmodeller inom preklinisk forskning. I nära samarbete med forskare vid Karolinska Institutet byggs en ny facilitet upp vid KTH där den nya röntgenavbildningen ska testas.

Skräddarsydda nanopartiklar söker tumörer

Forskarna tar hjälp av röntgenfluorescens från metalliska nanopartiklar som är skräddarsydda för ändamålet. Målsökande nanopartiklar är ett snabbt växande forskningsfält. Just dessa nanopartiklar kan förses med specifika ytmolekyler som binder till tumörmarkörer, berättar Hans Hertz.

– Vi gör våra egna nanopartiklar och testar deras funktion. Efter att vi har injicerat dem i djurmodellerna väntar vi någon dag medan partiklarna samlar sig i till exempel en tumör och sedan tittar vi med röntgen för att se var de befinner sig.

Sökandet underlättas av att blodkärlen växer snabbare där tumörer finns och när de spricker läcker nanopartiklarna ut i högre grad. Nanopartiklarna tillverkas av grundämnet molybden, vars egenskaper visat sig matcha väl med röntgenkällan. En särskild grupp på 3 till 4 medarbetare jobbar nu med att ta fram nanopartiklarna, som blivit en central del av verksamheten.

Om avbildningsmetoden fungerar i djurmodeller är förhoppningen att i framtiden kunna gå vidare till klinisk användning på människa, men det är för tidigt att tala om ännu, betonar Hans Hertz.

– Som det nu verkar kommer vi faktiskt att kunna höja den spatiala upplösningen med tio gånger i möss. När det gäller människa är det en mycket svårare utmaning och det finns en mängd komplikationer. Men redan i musmodellerna kan metoden få betydelse inom den tumörbiologiska forskningen och för utvecklingen av nya läkemedel.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström

Lär mer om Hans Hertz forskning