Analyse zellulärer und molekularer Prozesse in Echtzeit
Mit derzeitigen Bildgebungsmethoden wie MRT, CT und PET (Magnetresonanz-, Computer- bzw. Positronen-Emissions-Tomographie) können zwar auch relativ kleine Tumoren in Geweben und Organen detektiert werden, zelluläre und molekulare Informationen zur Krebsfrüherkennung und gezielten Therapie in vivo zu ermitteln, war bislang jedoch nicht möglich. Das multidisziplinäre EU-Gemeinschaftsprojekt CARS EXPLORER entwickelte NLO-Bildgebungsmethoden zur Diagnose von Hautkrebs, die dann an speziellen Mausmodellen und Modellen menschlicher Melanome (Hautkrebs) validiert wurden. Gearbeitet wurde mit nichtlinearer Mikroskopie wie CARS (kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung), 2PEF (Zwei-Photonen-Streuung) und Frequenzverdoppelung (second harmonic generation, SHG) für die subzelluläre Analyse biologischer Proben. Mittels Pulsformung wurden NLO-Kontrast, Vorlaufleistung, Eindringtiefe und Signalgebung bei Mikroskopen und Endoskopen für die Tiefenabbildung von Gewebe optimiert. Hohlkernglasfasern (HC-PCF) lieferten hochfrequente Femtosekunden-Impulse (10 bis 15 Sekunden) in Form von Solitonen in Endoskopen. Solitone sind selbstverstärkende einzelne Wellenpakete oder Impulse, die sich ohne Änderung ihrer Form mit gleicher Geschwindigkeit ausbreiten. Verwendet wurden Rastersondenmikroskope, die mit kompakten Titan:Saphir-Lasern und optischen parametrischen Oszillatoren arbeiten. Für die Systemsteuerung und Datenverarbeitung wurde eine anwendungsspezifische Software entwickelt, während der Kontrast in den Gewebeaufnahmen mittels SRS-Methode (stimulierte Raman-Streuung) und nichtlinearer Mikroskopie erzeugt wurde. Einzelheiten zum neuen Verfahren wurden in einem wissenschaftlichen Beitrag im Fachblatt Nature vorgestellt. Um Proben in vivo und in situ zu analysieren, wurde der Prototyp eines Endoskopie-Mikroskopie-Systems auf Basis von CARS und SRS konzipiert, für den inzwischen ein Patentantrag vorliegt. Nach Zusammenführen der Raman- und CARS-Daten in Datenbanken kann auf dieser Basis nun leichter zwischen gesundem, malignem und Lymphgewebe unterschieden werden. Auch Nukleinsäuren, Proteine und Lipide in Melanomhautproben wurden fluoreszenzfrei kartiert. Um die neuen Verfahren in vivo zu validieren, generierten die Forscher spezielle Tumor-exprimierende Mausmodelle. Die neuen Technologien eignen sich damit zur Früherkennung und Diagnose von Hautkrebs und anderen Krebserkrankungen, da sie bösartige zelluläre Veränderungen in Echtzeit enthüllen können.
