Arbeitsgruppe Raman- und Infrarot-Histopathologie

Auf Grundlage von Raman- und Infrarot-Spektroskopie werden in Kombination mit leistungsstarker Chemometrie Anwendungen entwickelt, um Zellen und Gewebe mit

• lateraler Auflösung bis zum optischen Beugungslimit,
• höchster spektraler Auflösung,
• höchster Empfindlichkeit,
• für höchsten Probendurchsatz

zu charakterisieren. Dafür werden die Spektrometersysteme u. a. mit Mikroskopen, faseroptischen Sonden oder Mikrofluidikchips gekoppelt. Darüber hinaus werden Nanopartikel zur Signalverstärkung und Verfahren zur Bildgebung eingesetzt. Die Ergebnisse werden mit dem klinischen Goldstandard validiert.

Wesentliche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten seit 2008 sind, eine innovative Einzeldiagnostik zu etablieren und die Methoden in klinische Systeme zu überführen. Ein zentrales Anwendungsfeld ist, Tumorzellen zu identifizieren, die in Körperflüssigkeiten von Krebspatienten zirkulieren. Da diese Zellen selten sind, wurden zunächst kultivierte Zellen als Modellsysteme untersucht. Strategien zielen darauf ab, im ersten Schritt die Tumorzellen anzureichern bzw. vorzuselektieren, damit im zweiten Schritt die Tumorzellen mittels Raman-Spektroskopie in möglichst kurzer Zeit quantitativ erfasst werden.

Diese Methoden werden auf die Untersuchung von Kieselalgen (Diatomeen) übertragen. Zu den Besonderheiten dieser Proben gehören die Chromophore Karotenoide und Chlorophyll, die an der Fotosynthese beteiligt sind und deren spektrale Beiträge in den Raman-Spektren durch Resonanzeffekte verstärkt sind. Die Komplementarität der Infrarot-Spektroskopie ist hier besonders deutlich, da die IR-Spektren durch Banden von Biosilikat, Proteinen und Lipiden dominiert sind.

Raman- und Infrarot-Spektroskopie liefern nicht nur eine Marker-freie spezifische Signatur, d. h. einen sog. spektralen Fingerabdruck, von Zellen, sondern auch von Gewebe, das aus verschiedenen Zellen aufgebaut ist. Ausgangspunkte sind hier Untersuchungen mittels Raman- und Infrarot-Imaging von Gewebedünnschnitten, die mit den histopathologischen Befunden korreliert werden. Die Ergebnisse werden dann auf Messungen von Biopsien ex vivo und auf in vivo Ansätze übertragen. Ziel ist eine minimal-invasive und nichtdestruktive Bewertung von Gewebe in Echtzeit, um normales von pathologischem Gewebe zu unterscheiden. Da aktuelle Fasersonden für Punktmessungen ausgelegt sind, wird die Raman-Spektroskopie mit anderen optischen Verfahren zur Bildgebung kombiniert. Anwendungen wurden adressiert u. a. in den Bereichen Hirntumoren, atherosklerotischen Plaques in Blutgefäßen, Mineralisierung von Zähnen, entzündlichen Darmerkrankungen sowie Leber nach Sepsis in Tiermodellen.