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Nanoskalige chemische Bildgebung für Theranostics

Photoinduzierte Rasterkraftmikroskopie ergänzt etablierte Spektroskopiemethoden

PiFM-Messungen an Lebergewebe bei drei verschiedenen IR-Anregungsfrequenzen. Oben: PiFM-Signalkontraste bei einer für den Wirkstoff charakteristischen Frequenz (rot) sowie bei zwei Frequenzen aus dem Amid-I-Band eines Proteins (grün und blau). Unten: (links) die drei PiFM-Kontraste zu einem Bild kombiniert und (rechts) Topographie.

Von D. Täuber 

Die zielgerichtete Abgabe von Medikamenten an Krebszellen und zelluläre Infektionsherde ist ein sehr erfolgreicher Weg mit großer Zukunft im Kampf gegen Krebs und systemische Infektionen, da sie den Einsatz erhöhter Dosierungen am Zielort erlaubt, während gleichzeitig die chemische Belastung des Organismus insgesamt gering gehalten werden kann. Die erfolgreiche Entwicklung zielgerichteter Medikamentfreigabe erfordert eine sorgfältige Ermittlung des Ansprechens der adressierten Stellen auf die beabsichtigte Behandlung.

Die neu entwickelte photoinduzierte Rasterkraftmikroskopie (photo-induced force microscopy, PiFM) ermöglicht die nanochemische Abbrasterung von Oberflächen durch die Kombination aus Anregung mit IR-Licht und Detektion des induzierten elektromagnetischen Nahfeldes mittels eines Rasterkraftmikroskops, welches mit einer leitfähigen Spitze ausgestattet ist. Im Gegensatz zu optischen Detektionsverfahren wird der neue labelfreie Ansatz nicht durch Streulicht beeinträchtigt und bietet somit eine verbesserte Signalauflösung, während er gleichzeitig eine hohe räumlichen Auflösung bis in den Bereich weniger Nanometer ermöglicht. Dadurch bietet PiFM ein vielversprechendes Potential zur Ergänzung etablierter Spektroskopietechniken.

Dr. Daniela Täuber, Leiterin der Arbeitsgruppe Biopolarisation in der Abteilung Quantendetektion, demonstrierte die Leistungsfähigkeit der neuen Methode mit der Abbildung der lokalen Verteilung eines Wirkstoffes im Lebergewebe von Mäusen (siehe Abbildung 1). Dr. Anuradha Ramoji aus der Arbeitsgruppe Klinisch-Spektroskopische Diagnostik am Leibniz-IPHT hatte zuvor ein IR-Spektrum des reinen Wirkstoffes ermittelt. Der Signalkontrast im Bild oben links (rot) wurde bei einem IR-Absorptionspeak des Wirkstoffes aufgenommen. Bei einer räumlichen Auflösung knapp unter 100 nm wurde an mehreren Stellen im Scan ein hohes PiFM-Signal (hell) gemessen. An solchen Positionen aufgenommene PiFM-Spektren zeigen ähnliche Eigenschaften wie das IR-Spektrum des Wirkstoffes. Spektren werden hier nicht dargestellt, da sie Gegenstand einer geplanten Veröffentlichung sind. Eine weitere Charakterisierung der Probe erfolgte durch Messungen des PiFM-Signals bei zwei Frequenzen aus Amidbanden von Proteinen (grün und blau). Die räumliche Auflösung ist bereits um mehr als eine Größenordnung höher als bei herkömmlicher IR-spektroskopischer Bildgebung und kann bis auf wenige nm weiter erhöht werden. Die Gewebeproben wurden von ihrem Kooperationspartner Dr. Adrian Press zur Verfügung gestellt, der die Arbeitsgruppe Nanophysiologie in der Abteilung für Anästhesiologie und Intensivmedizin von Prof. Michael Bauer am Universitätsklinikum Jena leitet. Die PiFM-Messungen wurden in einer kooperierenden Einrichtung in Zusammenarbeit mit Dr. Ramoji und mit Kay-Jovanna Benecke aus der Gruppe von Dr. Press durchgeführt.

Die Finanzierung eines Instruments für PiFM am Leibniz-IPHT wird 2019 von der TAB bereitgestellt für die „Entwicklung neuartiger Gesundheitstechnologien zur Detektion pathologischer Veränderungen und zur Visualisierung lokaler Therapieeffizienz mittels photonisch polarisierbarer, biologischer Spezies und photoinduzierter Rasterkraftmikroskopie“, initiiert von Prof. Heidemarie Schmidt, Leiterin der Abteilung Quantendetektion.

Für die neuartige Messmethode müssen nun noch leistungsfähige Analysemethoden entwickelt werden, was zunächst Messungen an weniger komplexen Proben erfordert. Als nächsten Schritt entwickelte Dr. Täuber daher in Zusammenarbeit mit Prof. Ute Neugebauer und Dr. Ramoji von der Abteilung für klinische Spektroskopie und Diagnostik, sowie Prof. Felix Schacher und Philip Biehl von der Jenano-Gruppe an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, ein Projekt zur Untersuchung von Nanopartikeln und Zellkulturen mit PiFM und dem Vergleich der Ergebnisse mit etablierter IR- und Ramanspektroskopie. Zwei Masterstudentinnen (Nila Krishnakumar, Master of Photonics, Abbe School of Photonics, FSU Jena, und Anika Strecker, Master der Medizintechnik, Ernst-Abbe-Hochschule Jena) haben im November 2018 mit der Bearbeitung dieses Themas begonnen.

Gefördert von: TAB

Zugehörige Publikationen

Modifizierte Abbildung aus A. Cricenti, D. Täuber: Nanospectroscopy tools: From scanning tunneling microscope (STM) to atomic force microscopy (AFM) and wide-field, confocal & scanning near-field optical microscopy (SNOM): applications to nanostructures, presented at European Commission TAIEX Regional Workshop on Biomedical Engineering - Nanotechnology. Mostar - Bosnia and Herzegovina - July 9, 2018

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