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Arbeitsgruppe Molekulare Bildgebung

Die Arbeitsgruppe Molekulare Bildgebung erforscht chemisch sensitive lineare und nicht-lineare Spektroskopie-Ansätze für eine Multi-Kontrast- bzw. Multi-Parameter-Bildgebung biologischer und biomedizinischer Zielstrukturen (z. B. Pathogene, Tumorzellen, Gewebeproben, Organe etc.). Den applikativen Schwerpunkt stellt der Bereich der klinischen Diagnostik dar, Schwerpunkt der methodischen Entwicklung liegt auf der Überführung von diesen Multikontrastverfahren in klinisch verwertbare, automatisierte Systeme mit hohem TRL-Level. Getragen werden diese Arbeiten durch chemometrische Untersuchungen, um die erhaltenen spektroskopischen Daten an komplexen biologischen Proben zu verstehen.

Innerhalb der letzten Jahren hat die Arbeitsgruppe signifikante Fortschritte gemacht, spektroskopische Ansätze im Besonderen innovative Raman-basierte Methoden in klinisch verwertbare Systeme zu überführen. Der klinische Schwerpunkt lag dabei auf Infektionskrankheiten und Krebs, da diese Krankheiten einen hohen medizinischen Bedarf, was Frühdiagnose und Therapie anbelangt, aufweisen. Mittels der Raman-Mikrospektroskopie lassen sich einzelne mikrobielle Pathogene ohne eine zeitaufwändige Vorkultivierung messen und sofort über eine chemometrische Analyse durch einen Vergleich mit einer geeigneten Datenbank identifizieren. Um die Raman-Spektroskopie als Point-of-Care-Test anwenden zu können, sind innovative Probennahme-Ansätze, welche die Möglichkeit bieten kleinste Probenvolumina zu handhaben und Probenvorbereitungsschritte zu implementieren notwendig.

In diesem Zusammenhang hat die Arbeitsgruppe neue chipbasierte mikrofluidische Isolierungsstrategien von Bakterien aus komplexen Matrizes (z. B. Blut oder andere Körperflüssigkeiten wie Urin, Sputum oder Aszites) erarbeitet. Zusätzlich konnte auch die Bakterien-Antibiotika-Wechselwirkung als erster Schritt zu einer Bestimmung von Antibiotikaresistenzen realisiert werden. All diese Untersuchungen für eine gezielte Therapie von Infektionskrankheiten wurden in ein automatisiertes Messsystem, den Bio-Partikel Explorer, für den Klinikeinsatz überführt.

Ein weiterer Fokus der Arbeitsgruppe besteht in der spektroskopischen Detektion von Gewebepathologien. Dabei liegt der medizinische Fokus besonders auf der intraoperativen Bestimmung von Tumorrändern. Dabei hat sich eine Kombination aus linearen und nichtlinearen Raman-Ansätzen mit anderen spektroskopischen Technologien als besonders vorteilhaft erwiesen. Hier konnte die Arbeitsgruppe in umfangreichen Arbeiten, die Leistungsfähigkeit eines Multikontrast-Mikroskopie-Ansatzes zur schnellen großflächigen Darstellung der Gewebemorphochemie zeigen, welcher die spektroskopischen Modalitäten CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering), SHG (second harmonic generation) und TPEF (two photon excited fluorescence microscopy) kombiniert.

Dieser Ansatz wurde in ein kompaktes und tragbares Forschungsmikroskop unter Verwendung kompakter Faserlaserquellen für den klinischen Einsatz überführt. Die multimodale nicht-lineare CARS/SHG/TPEF-Mikroskopie in Kombination mit automatisierten Bildanalyseroutinen eröffnet die Möglichkeit etablierte pathologische Diagnostikansätze zu komplementieren und die intraoperative Beurteilung von Gewebeproben durch die schnelle Analyse von multimodalen Bildern hinsichtlich einer Tumorfreiheit von Schnitträndern zu erweitern.

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