Molekulare Bildgebung

Die Arbeitsgruppe molekulare Bildgebung erforscht neue chemisch sensitive lineare und nicht-lineare spektroskopische Kontrastmechanismen, Lasertechnologien und Detektionserfahren für eine Multi-Kontrast- bzw. Multi-Parameter-Bildgebung biologischer und biomedizinischer Zielstrukturen (z. B. Pathogene und deren Antibiotikaresistenzen, Tumorzellen, Gewebeproben, Zellorganelle, Marker-Moleküle wie z.B. Wirkstoffe, Organe etc.). Der applikative Schwerpunkt liegt dabei auf einer molekularen und funktionalen Diagnostik in der Medizin und den Lebenswissenschaften. Zudem fokussiert sich die Arbeitsgruppe Molekulare Bildgebung auf die Integration der erforschten multimodalen Ansätze in kompakte klinisch verwertbare automatisierte Systeme mit hohem TRL Level für präklinische und perspektivisch klinische Studien. Der klinische Schwerpunkt liegt dabei auf Infektionskrankheiten und Tumorerkrankungen, da diese Krankheiten einen hohen medizinischen Bedarf, was Frühdiagnose und Therapie anbelangt, aufweisen.

Forschungsthemen

  • Automatisierte nichtlineare multimodale CARS/SRS/SHG/TPEF/FLIM-Bildgebung für eine färbefreie Schnellschnitt-Diagnostik
  • Multimodale (Raman, CARS, SRS, SHG, TPEF, FLIM) Mikroskopie und Intravitalmikroskopie zur (I) labelfreien Darstellung von Biomolekülen (Lipide, Proteine, endogene Chromophore/Autofluorophore wie NAD(P)H und FAD, Elastin, sowie SHG-aktive Makromoleküle wie Kollagen etc.), (II) zur gezielten Beobachtung der Lokalisation von Wirkstoffen sowie deren Freisetzungsdynamik und (III) zur Darstellung von kleinen Raman-Label (Alkin-Tags, stabile Isotopenmarkierungen) in Zellen, Gewebe und Organen
  • Erforschung in-vivo tauglicher multimodaler nichtlinearer (CARS, SRS, SHG, TPEF) spektroskopischer Sondenkonzepte (Imagingfasern, starre Endoskope mit Gradientenindexlinsen, Transportfasern
  • Erforschung neuer Konzepte zur hochortsaufgelösten (kohärenten) Raman-Mikroskopie
  • Etablierung neuer nichtlinearer Kontrastmechanismen in multimodale Bildgebungsansätze
  • Erforschung und Realisierung von miniaturisierten kostengünstigen Raman-Systemen
  • Realisierung chipbasierte Konzepte und mikrofluidischer Systeme zur Tropfen-, Partikel- und Zelldiagnostik mittels linearer und nichtlinearer multimodaler mikrospektroskopischer  Verfahren
  • Raman-spektroskopische Charakterisierung und Identifizierung von Pathogenen und deren Antibiotikaresistenzen (RamanBioAssay)
  • Implementierung von Konzepten zur kombinierten Laser-basierten Therapie und Diagnostik (fs-Laserablation und multimodale Bildgebung)
  • Erforschung von Faser-Laser-Konzepten für schnelles spektrales Durchstimmen bei extrem niedrigem Rauschen (RIN), hoher Robustheit und kompakter Bauform speziell für klinische Anwendungen
  • Robuste und schnelle Verfahren zur statistischen und multiparametrischen online-Datenanalyse in enger Zusammenarbeit mit der AG Bocklitz

Es werden innovative multimodale molekulare Bildbebungsansätze mit Schwerpunkt auf nichtlinearen Kontrastphänomenen erforscht mit dem Ziel Biomoleküle in Zellen, Geweben und Organen darzustellen. Weiterhin fokussieren sich die Forschungsarbeiten auf der Realisierung linearer Raman-spektroskopischer Assays für die Pathogendiagnostik und deren Resistenzbestimmung, mit dem Ziel den gesamten Workflow von der Probenvorbereitung bis zum Ergebnis in kürzester Zeit zu erfassen. Der technologische Forschungsfokus liegt neben der Realisierung kompakter Aufbauten für einen klinischen Einsatz in einer Optimierung und Verbesserung zentraler Parameter wie: örtliche und spektrale Auflösung, Aufnahmegeschwindigkeit, spektrale Bandbreite der Detektion, Sensitivität (Einzelphotonenzählverfahren), molekulare Spezifität oder Eindringtiefe. 

Anwendungsbereiche

  • Medizinisch pathologische Diagnostik: Optische Biopsie / spektrale Histopathologie
  • Onkologie: Tumordiagnostik und Therapie
  • Infektionsdiagnostik
  • Zytometrie
  • Wirkmechanismen von Medikamenten
  • Lebendzellmikroskopie
  • Therapiemonitoring

Applikativer Schwerpunt der erforschten multimodalen Bildgebungsansätze und linearer Raman-spektroskopischer Assays sind eine verbesserte Krankheitsdiagnostik und eine darauf abgestimmte Therapie sowie neue Einblicke in dynamische Lebensprozesse. Weiterhin werden in enger Kooperation mit Medizinern und Lebenswissenschaftlern konstant neue Anwendungsfelder der molekularen Bildgebung erschlossen.

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