Himmel und Erde

Die bildgebende Raman-Spektroskopie aus der Astrophysik lässt sich auch bei der nicht-invasiven Krebsdiagnostik anwenden – Wissenschaftler des Potsdamer ZIK "innoFSPEC" können das nach vierjähriger Entwicklungsarbeit nachweisen.

Martin Roth zeigt am Monitor das Bild einer Spiralgalaxie mit etwa 200 Milliarden Sternen. „Früher, als man noch nicht so scharf in den Himmel schauen konnte, habe man die Erscheinung auch als Spiralnebel bezeichnet“, sagt der Astrophysiker. Dass gerade in den letzten Jahren viele Fragezeichen am Himmel beantwortet werden können, ist auch ein Verdienst von Martin Roth und seinen Kolleginnen und Kollegen vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). Roth kam 1994 als promovierter Instrumentenbauer hierher. Was ihn und seine Kollegen umtreibt, ist zudem die Frage, welchen Nutzen diese Erkenntnisse für einen jeden Menschen in seinem irdischen Leben haben können. Glücklicherweise sind es da im doppelten Sinne kurze Wege von der Astrophysik in Potsdam-Babelsberg zur Physikalischen Chemie am Universitätsstandort Potsdam-Golm. Vor zehn Jahren haben sich „Himmel und Erde“ im Zentrum für Innovationskompetenz innovativer faseroptischer Spektroskopie und Sensorik vereint. Das vom Bundesforschungsministerium gefördert Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) innoFSPEC forscht an speziellen optischen Fasern, die in Spektrographen sowohl zur Beobachtung des Weltalls als auch des irdischen Lebens eingesetzt werden.

Auf einer Wellenlänge

Elmar Schmälzlin ist ein Chemiker, der „erdgebunden“ forscht und die Erkenntnisse aus der Astrophysik anwendet. Die an der Entstehung von Galaxien beteiligten Elemente wie etwa Wasserstoff, Stickstoff oder Schwefel kommen auch in der Erdkruste und im menschlichen Körper vor. „Wir nutzen in der Astrophysik die Wellenlängen, die diesen chemischen Substanzen zuzuordnen sind. Auch bei unseren Laboranwendungen messen wir mit dem Raman-Spektroskop das Streulicht an Molekülen und Festkörpern und können so biochemische Veränderungen feststellen. Aber leider können wir mit den handelsüblichen Geräten bislang nur an einem einzigen Punkt messen und keine Bilder machen“, sagt Schmälzlin.

Der Chemiker Dr. Elmar Schmälzlin und der Astrophysiker Prof. Dr. Martin Roth

Der Chemiker Elmar Schmälzlin (links) und der Astrophysiker Martin Roth zeigen am Monitor, wie die neue bildgebende Software arbeitet.

PRpetuum GmbH

Vom Weltraum ins Labor

Die Wissenschaftler des ZIK innoFSPEC veröffentlichten im Herbst dieses Jahres das Ergebnis ihrer vierjährigen Entwicklungsarbeit. Mit einem astronomischen 3D-Spektrographen, wie sie derzeit am weltgrößten Very Large Telescope in der chilenischen Atacamawüste angebracht sind, und mit Hilfe einer innovativen Software wandten sie zum ersten Mal die bildgebende Raman-Spektroskopie für die nicht-invasive Krebsdiagnostik im Labor an. Vereinfacht ausgedrückt: „Die Software stellt dem Mediziner die optischen Signale bei der Vermessung einer Hautprobe in Echtzeit bildgebend zur Verfügung. Der Arzt kann den Lichtsignalen unter anderem Bakterien, Substanzen oder krankhaften Gewebeveränderungen zuordnen“, sagt Elmar Schmälzlin. „Wir haben ein bildgebendes Krebs-Diagnoseverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe der Arzt ein Karzinom ganz genau vom gesunden Gewebe abgrenzen kann.“

bildgebenden Methode zur Tumorerknnung

Mit der bislang in der Astronomie angewandten bildgebenden Methode kann der Mediziner zum Beispiel die Umrisse eine Hauttumors exakt erkennen.

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Astrophysiker Roth ergänzt, dass dabei das am ZIK innoFSPEC entwickelte Differenzverfahren eine besondere Bedeutung hat. Dieses filtert störendes Fluoreszenzlicht und Störlicht im Operationssaal heraus. Das Verfahren beruht darauf, dass zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen hin und her wechseln. Auch das Ferdinand-Braun-Institut in Berlin und das Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena sind an der Entwicklung dieser bildgebenden optischen Methode beteiligt, die mittlerweile zum Patent eingereicht wurde. Es werde noch Jahre und einige Industriepartner brauchen, bis ein marktfähiges Gerät zum Einsatz kommt. Aber schon dieses Entwicklungsstadium sei als ein immens großer Schritt zu werten, sagt ZIK-Direktor Martin Roth.