Fluoreszenztomographie

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 2. September 2026

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Die Fluoreszenztomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches hauptsächlich in der In-vivo-Diagnostik verwendet wird. Sie basiert auf der Anwendung von fluoreszierenden Farbstoffen, die als Biomarker dienen. Das Verfahren findet heute meist in der Forschung oder in präklinischen Studien Anwendung.

Was ist die Fluoreszenztomographie?

Die Fluoreszenztomographie erfasst und quantifiziert die dreidimensionale Verteilung von fluoreszierenden Biomarkern in biologischen Geweben. Abbildung zeigt Injektion des Biomarkers.

Die Fluoreszenztomographie erfasst und quantifiziert die dreidimensionale Verteilung von fluoreszierenden Biomarkern in biologischen Geweben. Die sogenannten Fluorophore, also die fluoreszierenden Substanzen, absorbieren zunächst elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarot-Bereich. Danach senden sie wieder Strahlung in einem etwas niedrigeren Energiezustand ab. Dieses Verhalten der Biomoleküle wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Die Absorption und Emission finden im Wellenlängenbereich zwischen 700 - 900 nm des elektromagnetischen Spektrums statt. Als Fluorophore werden meist Polymethine eingesetzt. Das sind Farbstoffe, die im Molekül konjugierte Elektronenpaare besitzen und dadurch in der Lage sind, zur Anregung der Elektronen Photonen aufzunehmen. Unter Lichtabgabe und Wärmebildung wird diese Energie wieder abgegeben.

Während der fluoreszierende Farbstoff leuchtet, kann seine Verteilung im Körper bildlich dargestellt werden. Fluorophore werden wie die Kontrastmittel bei anderen bildgebenden Verfahren eingesetzt. Dabei können sie je nach Anwendungsgebiet intravenös oder oral appliziert werden. Die Fluoreszenztomographie ist auch zur Anwendung für die Molekulare Bildgebung geeignet.

Funktion, Wirkung & Ziele

Es besteht ein spektrales Fenster im Bereich von 700 bis 900 Nanometer. In diesem Wellenlängenbereich liegt auch die Strahlung der Fluoreszenzfarbstoffe. Daher kann das kurzwellige Infrarotlicht biologisches Gewebe gut durchdringen. Die Restabsorption und die Streuung der Strahlung sind begrenzende Faktoren des Verfahrens, sodass seine Anwendung auf kleine Gewebevolumina beschränkt bleibt. Als Fluorophore werden heute hauptsächlich Fluoreszenz-Farbstoffe aus der Gruppe der Polymethine verwendet. Da diese Farbstoffe jedoch bei Belichtung langsam zerstört werden, ist ihre Anwendung erheblich eingeschränkt. Als Alternative bieten sich Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien an.

Das sind Nanokörper, die aber Selen, Arsen und Kadmium enthalten können, sodass ihre Anwendung beim Menschen prinzipiell ausgeschlossen werden muss. Als Liganden fungieren Proteine, Oligonukleotide oder Peptide zur Konjugation mit den Fluoreszenzfarbstoffen. In Ausnahmefällen sind auch nicht-konjugierte Fluoreszenzfarbstoffe im Einsatz. So wird der Fluoreszenzfarbstoff "Indocyaningrün" beim Menschen seit 1959 als Kontrastmittel bei der Angiografie verwendet. Konjugierte Fluoreszenzbiomarker sind beim Menschen derzeit nicht zugelassen. Zur Anwendungsforschung für die Fluoreszenztomographie werden daher heute überwiegend Tierversuche vorgenommen.

Dabei wird der Fluoreszenzbiomarker intravenös appliziert und anschließend die Farbstoffverteilung und ihre Anreicherung im zu untersuchenden Gewebe zeitaufgelöst untersucht. Mit einem NIR-Laser wird die Körperoberfläche des Tiers abgescannt. Dabei nimmt eine Kamera die vom Fluoreszenzbiomarker emittierte Strahlung auf und setzt die Bilder zu einem 3D-Film zusammen. So kann der Weg der Biomarker verfolgt werden. Gleichzeitig kann auch das Volumen des markierten Gewebes erfasst werden, sodass eine Abschätzung darüber möglich wird, ob es sich eventuell um Tumorgewebe handelt. Heute findet die Fluoreszenztomographie also einen vielseitigen Einsatz in präklinischen Studien. Intensiv wird aber auch an Einsatzmöglichkeiten in der humanen Diagnostik gearbeitet.

Dabei spielt die Forschung für ihre Anwendung in der Krebsdiagnostik, speziell für den Brustkrebs, eine herausragende Rolle. So wird davon ausgegangen, dass die Fluoreszenzmammagrafie das Potenzial für ein kostengünstiges und schnelles Screeningverfahren bei Brustkrebs hat. Bereits im Jahre 2000 stellte die Schering AG ein modifiziertes Indocyaningrün als Kontrastmittel für dieses Verfahren vor. Eine Zulassung liegt jedoch bis heute nicht vor. Auch eine Anwendung zur Kontrolle des Lymphflusses wird diskutiert. Ein weiteres potenzielles Anwendungsgebiet wäre der Einsatz des Verfahrens für die Risikoabschätzung bei Krebspatienten. Ein großes Potenzial besitzt die Fluoreszenztomographie auch für die Früherkennung einer rheumatoiden Arthritis.

Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren

In dieser Hinsicht ist sie der MRT (Magnetresonanztomographie) sogar überlegen. Des Weiteren ist die Fluoreszenztomographie ein sehr preiswertes Verfahren. Das betrifft sowohl die Geräteinvestition und den Gerätebetrieb als auch die Durchführung der Untersuchung. Außerdem findet keine Strahlenbelastung statt. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass durch die hohen Streuverluste mit zunehmender Körpertiefe die Ortsauflösung drastisch abnimmt. Deshalb können nur kleine Gewebeoberflächen untersucht werden. Beim Menschen lassen sich zurzeit die inneren Organe nicht gut darstellen. Es gibt jedoch Versuche, die Streueffekte durch die Entwicklung laufzeitselektiver Verfahren einzuschränken.

Dabei werden die stark gestreuten Photonen von den nur gering gestreuten Photonen getrennt. Noch ist dieses Verfahren nicht ausgereift. Weiterer Forschungsbedarf ergibt sich auch bei der Entwicklung eines geeigneten Fluoreszenzbiomarkers. Die bisherigen Fluoreszenzbiomarker sind für den Menschen nicht zugelassen. Die derzeit verwendeten Farbstoffe werden durch Lichteinwirkung abgebaut, was einen erheblichen Nachteil für ihren Einsatz bedeutet. Mögliche Alternativen stellen sogenannte Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien dar. Aufgrund ihres Gehaltes an giftigen Stoffen, wie Kadmium oder Arsen, sind sie für den Einsatz der In-vivo-Diagnostik beim Menschen jedoch nicht geeignet.

Für den untersuchten Menschen selbst geht von der Messung keine Strahlenbelastung aus, da ausschließlich mit Licht im nahen Infrarotbereich gearbeitet wird und die Aufnahme berührungslos erfolgt. Das eigentliche Risiko des Verfahrens liegt deshalb nicht in der Bildgebung, sondern in dem Farbstoff, der zuvor verabreicht werden muss. Fluoreszenzfarbstoffe sind körperfremde Substanzen, die in den Kreislauf gelangen; wie bei den Kontrastmitteln anderer bildgebender Verfahren sind Unverträglichkeitsreaktionen grundsätzlich möglich und reichen im ungünstigsten Fall bis zu einer allergischen Sofortreaktion. Handelsübliche Zubereitungen von Indocyaningrün enthalten Jodid, weshalb eine bekannte Jodunverträglichkeit und Erkrankungen der Schilddrüse vor der Anwendung ärztlich abzuklären sind.

Für die konjugierten Fluoreszenzbiomarker, mit denen die Forschung arbeitet, gilt eine weitergehende Einschränkung: Sie sind beim Menschen nicht zugelassen, und über ihre Verträglichkeit lässt sich außerhalb von Studien nichts Belastbares sagen. Da die Fluoreszenztomographie am Menschen bislang kein Routineverfahren ist, fehlt auch die breite Erfahrungsgrundlage, aus der sich Häufigkeiten unerwünschter Wirkungen ableiten ließen. Wer im Rahmen einer klinischen Studie an einer solchen Untersuchung teilnimmt, wird über die verwendeten Substanzen und über die verbleibenden Unsicherheiten gesondert aufgeklärt.

Ablauf einer Untersuchung

Der Ablauf einer Fluoreszenztomographie folgt in allen Anwendungsbereichen demselben Grundmuster, auch wenn sich Geräte und Fragestellungen erheblich unterscheiden. Am Anfang steht die Auswahl und die Verabreichung des Farbstoffs. Er wird in aller Regel in eine Vene gegeben, bei besonderen Fragestellungen auch geschluckt oder örtlich aufgetragen. Anschließend vergeht eine Wartezeit, in der sich der Farbstoff über den Kreislauf verteilt und sich – je nach Bindungspartner – bevorzugt in bestimmten Geweben anreichert. Erst danach beginnt die eigentliche Messung.

Für die Aufnahme muss der untersuchte Körperabschnitt ruhig liegen, weil das Verfahren aus vielen Einzelmessungen ein räumliches Bild errechnet; Bewegung während der Aufnahme führt zu Unschärfe. Die Messkammer ist gegen Fremdlicht abgeschirmt, denn schon geringe Lichtmengen aus der Umgebung können das schwache Fluoreszenzsignal überdecken. Eine Lichtquelle, meist ein Laser im nahen Infrarotbereich, tastet die Oberfläche des Untersuchungsfeldes an vielen Punkten ab, während eine empfindliche Kamera das austretende Licht aufzeichnet. Aus der Vielzahl dieser Messungen berechnet ein Rechenverfahren, wo im Gewebe das Signal entstanden sein muss. Genau dieser Rechenschritt unterscheidet die Tomographie von der einfachen Fluoreszenzaufnahme, die nur ein flächiges Bild der Oberfläche liefert.

Die Messung selbst ist berührungslos und nicht mit Röntgenstrahlung verbunden. Eine Betäubung ist dafür nicht erforderlich; in Tierversuchen wird sie allein deshalb eingesetzt, damit das Tier während der Aufnahme still liegt. Wie lange eine Aufnahme dauert, hängt von der Größe des Untersuchungsfeldes, der Zahl der Messpunkte und der Fragestellung ab. Soll nicht nur die Verteilung, sondern auch deren zeitlicher Verlauf erfasst werden, werden über einen längeren Zeitraum mehrere Aufnahmen hintereinander angefertigt.

Was ein Befund aussagt

Ein Fluoreszenzsignal zeigt zunächst nichts anderes an, als dass sich der verabreichte Farbstoff an einer bestimmten Stelle angesammelt hat. Welche Bedeutung das hat, ergibt sich erst aus dem Farbstoff selbst. Ein Farbstoff, der ohne Bindungspartner im Blut verbleibt, bildet vor allem die Durchblutung ab. Ein Farbstoff, der an ein Eiweiß, ein Peptid oder ein Oligonukleotid gekoppelt ist, soll sich dort anreichern, wo dessen Bindungsstelle vorkommt. Dass die Anreicherung dann tatsächlich das gesuchte Merkmal anzeigt, ist eine Annahme, die für jeden Marker eigens belegt werden muss.

Daraus folgt eine Einschränkung, die für das Verständnis des Verfahrens entscheidend ist: Ein auffälliger Bereich im Bild ist kein Beweis für eine bestimmte Erkrankung. Auch Entzündungen, Verletzungen und Gewebe mit besonders starker Durchblutung können Signale erzeugen, die denen eines Tumorherdes ähneln. Umgekehrt schließt ein unauffälliges Bild eine Erkrankung nicht aus. Das gilt bei der Fluoreszenztomographie in besonderem Maße, weil ihre Aussagekraft mit zunehmender Gewebetiefe rasch abnimmt. Ein Herd, der tiefer liegt, als das Licht reicht, erzeugt an der Oberfläche unter Umständen überhaupt kein messbares Signal – er bliebe auf dem Bild also nicht deshalb unsichtbar, weil es ihn nicht gibt, sondern weil das Licht ihn nicht erreicht.

Aus diesem Grund wird ein Ergebnis der Fluoreszenztomographie nie für sich allein bewertet, sondern stets im Zusammenhang mit der Vorgeschichte, der körperlichen Untersuchung und den Befunden anderer Verfahren. In der Forschung dient das Bild überdies meist nicht der Aussage über einen einzelnen Fall, sondern dem Vergleich zwischen Gruppen unter kontrollierten Bedingungen.

Abgrenzung zu anderen bildgebenden Verfahren

Bildgebende Verfahren unterscheiden sich vor allem darin, welche Eigenschaft des Gewebes sie sichtbar machen. Das Röntgenbild und die Computertomographie stellen Unterschiede in der Schwächung von Röntgenstrahlung dar und bilden damit in erster Linie den Bau des Körpers ab; sie sind mit einer Strahlenbelastung verbunden. Die Magnetresonanztomographie nutzt das Verhalten von Wasserstoffkernen im Magnetfeld, kommt ohne Röntgenstrahlung aus und stellt Weichteile besonders gut dar, benötigt dafür aber ein aufwendiges Gerät. Die Sonographie arbeitet mit Schallwellen, ist nahezu überall verfügbar und zeigt Bewegung in Echtzeit, hängt in ihrer Aussagekraft jedoch stark von der Erfahrung des Untersuchers ab. Die Endoskopie betrachtet Oberflächen unmittelbar, erreicht aber nur, wohin ein Instrument gelangt.

Die Fluoreszenztomographie gehört zusammen mit den nuklearmedizinischen Verfahren zu jener Gruppe, die nicht in erster Linie den Bau des Körpers, sondern Stoffwechselvorgänge und molekulare Merkmale abbilden will. Mit der Positronen-Emissions-Tomographie und der Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie teilt sie das Grundprinzip, eine markierte Substanz zu verabreichen und deren Verteilung zu verfolgen. Der entscheidende Unterschied liegt in der Art der Markierung. Die Nuklearmedizin verwendet radioaktive Stoffe, deren Strahlung den Körper nahezu ungehindert verlässt und deshalb auch aus der Tiefe messbar ist – um den Preis einer Strahlenbelastung und eines erheblichen Aufwands bei Herstellung und Umgang mit den Substanzen. Die Fluoreszenztomographie verwendet Licht, das keine Strahlenbelastung erzeugt und mit vergleichsweise einfachen Geräten erzeugt und gemessen werden kann, im Gewebe aber gestreut und aufgenommen wird und deshalb nur eine begrenzte Strecke weit trägt.

Diese Gegenüberstellung erklärt, warum das Verfahren dort erprobt wird, wo der interessierende Bereich oberflächennah liegt: an der Brust, an den kleinen Gelenken der Hand, an der Haut und an freigelegten Organen während einer Operation. Für die Beurteilung tief liegender Organe ist es nach heutigem Stand kein Ersatz für die eingeführten Verfahren, sondern allenfalls eine Ergänzung.

Verwandte Fluoreszenzverfahren in der Medizin

Während die Fluoreszenztomographie im engeren Sinne beim Menschen kein zugelassenes Regelverfahren ist, gehört die Nutzung von Fluoreszenz in anderer Form seit Langem zum medizinischen Alltag. Am längsten etabliert ist die Fluoreszeinangiographie des Augenhintergrunds: Ein fluoreszierender Farbstoff wird in eine Vene gespritzt, und die Netzhautgefäße werden fotografiert, während der Farbstoff sie durchströmt. Auf demselben Gedanken beruht die Angiographie mit Indocyaningrün, die die tiefer gelegenen Gefäßschichten des Auges darstellt.

In der Chirurgie wird Fluoreszenz genutzt, um während eines Eingriffs Strukturen sichtbar zu machen, die dem bloßen Auge entgehen. Dazu zählen die Beurteilung der Durchblutung eines Gewebeabschnitts, die Darstellung der Gallenwege und die Suche nach dem ersten abführenden Lymphknoten eines Tumorgebiets, der für die Frage nach Metastasen von Bedeutung ist. In der Urologie und in der Neurochirurgie werden Substanzen eingesetzt, die sich bevorzugt in verändertem Gewebe anreichern und dieses unter besonderer Beleuchtung farbig hervortreten lassen. In der Labormedizin und in der Pathologie schließlich ist die Fluoreszenzmikroskopie ein Standardwerkzeug, mit dem einzelne Eiweiße oder Erbgutabschnitte in Gewebeproben angefärbt werden.

Allen diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass sie ein flächiges Bild einer Oberfläche liefern. Die Fluoreszenztomographie unterscheidet sich davon dadurch, dass sie aus vielen Einzelmessungen eine räumliche Verteilung errechnet und diese auch der Menge nach beziffern möchte. Gerade dieser weitergehende Anspruch macht sie technisch anspruchsvoll.

Geschichte und Entwicklung

Der Gedanke, den Körper mit Licht zu durchleuchten, ist erheblich älter als die Fluoreszenztomographie. Schon lange vor ihrer Entwicklung wurde versucht, Gewebe gegen eine starke Lampe zu betrachten, um Hohlräume und Verdichtungen zu erkennen. Diese Durchleuchtung mit sichtbarem Licht blieb jedoch grob, weil das Licht im Gewebe so stark gestreut wird, dass ein scharfes Bild nicht zustande kommt. Zwei Entwicklungen machten die heutige Form möglich: die Erkenntnis, dass es im nahen Infrarot ein Fenster geringerer Absorption gibt, und die Rechenleistung, mit der sich aus gestreutem Licht rückwärts auf dessen Entstehungsort schließen lässt.

Parallel dazu entwickelte sich die Chemie der Farbstoffe. Fluoreszierende Substanzen waren bereits im 19. Jahrhundert bekannt und wurden zunächst außerhalb der Medizin verwendet; ihre Anwendung am Menschen begann in der Augenheilkunde. Mit Indocyaningrün stand ab Ende der 1950er Jahre ein Farbstoff zur Verfügung, dessen Anregungs- und Abstrahlbereich im nahen Infrarot liegt und der sich damit auch für die Darstellung tiefer gelegener Schichten eignet.

Seit den 1990er Jahren entstanden Geräte, die die Messungen nicht mehr nur flächig, sondern von mehreren Seiten aufzeichnen und daraus ein Schnittbild errechnen. Solche Geräte werden heute vor allem in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, häufig gekoppelt mit einem zweiten Verfahren, das die Anatomie liefert, in die das Fluoreszenzsignal eingezeichnet wird. Die Übertragung auf den Menschen ist Gegenstand laufender Arbeiten; entschieden wird sie weniger durch die Messtechnik als durch die Frage, welche Marker beim Menschen überhaupt angewendet werden dürfen.

Stellenwert und Kostenübernahme

Für Patientinnen und Patienten ist die praktische Bedeutung der Fluoreszenztomographie derzeit gering. Sie ist kein Verfahren, das im Rahmen der üblichen Abklärung angeordnet wird, und sie ersetzt keine der eingeführten Untersuchungen. Wer ihr begegnet, tut das in aller Regel im Rahmen einer klinischen Studie. Damit ist auch die Frage der Kostenübernahme beantwortet: Verfahren, die weder zugelassen noch als Regelleistung anerkannt sind, werden von den gesetzlichen Krankenkassen nicht als Teil der Versorgung getragen; die Kosten einer Studienuntersuchung trägt üblicherweise derjenige, der die Studie durchführt. Über eine Teilnahme wird nach gesonderter Aufklärung entschieden, und eine Ablehnung darf die weitere Behandlung nicht beeinträchtigen.

Vor einer Teilnahme sind dieselben Fragen zu klären, die für jede Untersuchung im Rahmen einer Studie gelten: welche Substanz verabreicht wird und was über sie bekannt ist, welche zusätzlichen Untersuchungen damit verbunden sind und wie mit einem auffälligen Ergebnis umgegangen wird. Ein Verfahren in der Erprobung liefert Hinweise, aber keine gesicherte Diagnose; die Behandlung richtet sich weiterhin nach den Befunden der etablierten Verfahren.

Quellen

• Reiser, M., Kuhn, F.-P., Debus, J.: Radiologie.
  ISBN: 9783131253248

• Dietlein, M., Kopka, K., Schmidt, M. (Hrsg.): Nuklearmedizin.
  ISBN: 9783132439269

• Kramme, R. (Hrsg.): Medizintechnik.
  ISBN: 9783662487709

• Weishaupt, D., Köchli, V. D., Marincek, B.: Wie funktioniert MRI?.
  ISBN: 9783642416156

• Arastéh, K., Baenkler, H.-W., Bieber, C., et al.: Innere Medizin.
  ISBN: 9783132443471

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