Licht-Diagnose direkt am Patienten

Viele Wege führen zur personalisierten Medizin. Wissenschaftler aus Potsdam und Dresden nutzen optische Fasern und neuartige nanostrukturierte Materialien, um beispielsweise Krebs zu erkennen und zu therapieren.

Man stelle sich vor: Der Dermatologe will eine Hautveränderung untersuchen und schickt mittels optischer Faser Licht exakt in diese Gewebestelle. Aus den zurückkommenden Lichtsignalen liest ein Spektrograph in Echtzeit heraus, ob es sich um ein Melanom handelt und wie es beschaffen ist. „Noch ist das eine Vision auf dem weiten Forschungsfeld der personalisierten Medizin“, sagt Michael Schlierf, Professor für Molekulare Biophysik an der TU Dresden. Er ist einer der forschenden Köpfe in dem Projekt „Optische Zell-Diagnose und -Manipulation“, kurz OptiZeD. „Allgemein geht es um neuartige Materialien und Methoden, mit denen Medikamente an bestimmte Stellen des menschlichen Gewebes transportiert werden können“, ergänzt Projektpartner Ilko Bald, Professor für Hybride Nanostrukturen an der Uni Potsdam.

Team um Ilko Bald bei der gemeinsamen Arbeit

Claudia Pacholski und Ilko Bald vom ZIK innoFSPEC sowie Michael Schlierf und Yixin Zhang (v.l.) vom ZIK B CUBE arbeiten im OptiZeD-Bündnis zusammen.

PRpetuum GmbH

Fänger- und Signalmoleküle

Für die Umsetzung dieser Vision in die Realität gibt es schon einen konkreten Namen: MBS steht für ein miniaturisiertes „Multiparameter-Biosensor-System“. Auf dem Weg dorthin bringen die Zentren für Innovationskompetenz (ZIK) "innoFSPEC" an der Universität Potsdam und "B CUBE" an der TU Dresden ihre Expertisen ein. Die Potsdamer Wissenschaftler haben Erfahrung bei der Entwicklung faseroptischer Sensorik; ihre Kollegen aus Dresden erforschen Fluoreszenztechnologien und Biomaterialien. „OptiZeD“ heißt das Verbund-ZIK: optische Zelldiagnose und -Manipulation. Das Bundesforschungsministerium fördert die Grundlagenforschung des interdisziplinären Teams aus den Bereichen der molekularen Biophysik, biomolekularen Interaktion, funktionellen Nanomaterialien, hybriden Nanostrukturen und BioNanoWerkzeugen.

Links: Hydrogel-Mikrokugeln auf einem Glassubstrat und Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der im Foto gezeigten Probe.

Links: Hydrogel-Mikrokugeln auf einem Glassubstrat. Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der im Foto gezeigten Probe. 

ZIK innoFSPEC

Der Vorteil der faseroptischen Detektion besteht darin, dass Krankheiten direkt am Patienten diagnostiziert werden könnten, es müssten nicht erst Biopsien entnommen und zur Untersuchung ins Labor geschickt werden. Ilko Bald erklärt das Prinzip am Beispiel Hautkrebs vereinfacht so: Jedes Melanom hat seine spezifischen Botenstoffe. Die von uns entwickelten Biosensoren würden diese Biomarker ausfindig machen, sich andocken und Lichtsignale senden. „Wir brauchen also Fängermoleküle und Signalmoleküle, mit denen wir die optischen Fasern beschichten“, sagt der Wissenschaftler und erläurtert, dass mit einem Bündel aus verschieden beschichteten Fasern zeitgleich unterschiedliche Parameter erfasst und analysiert werden könnten, die dann in der Summe ein Bild über Art und Stadium der Erkrankung ergäben.

Trägermoleküle

Was sich relativ einfach anhöre, sei eine immense Herausforderung, betonen die Wissenschaftler, schließlich sollen die Materialien an der Faserspitze haften bleiben und sich nicht im Körper verteilen. Bleibt noch zu erklären, was unter dem Hinweis auf die „Zell-Manipulation“ im Projektnamen zu verstehen ist. „Wir testen, ob sich die Materialien und Techniken nicht nur für die Diagnose, sondern auch für die Therapie eignen“, sagt Michael Schlierf. „Die Materialien sollen ebenso als Träger von Wirkstoffen funktionieren und diese zielgerichtet an die erkrankten Zellen abgeben.“ Mehr noch: Auch die Auswertung der Therapie und weitere Überwachung des Gewebes soll mit dem „Multiparameter-Biosensor-System“ direkt am Patienten möglich sein.

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