Wir haben eine neuartige Technologie entwickelt - Elektrisches-feldaufgelöstes Molekulares Fingerprinting (electric field-resolved molecular fingerprinting, EMF). Im Rahmen einer einzigen, sensitiven Messung eines Probenröhrchens untersucht EMF das gesamte Spektrum aller in einer Bioflüssigkeit enthaltenen Molekülklassen - in vitro (Pupeza et al., Nature 2020). Beim EMF bringen breitbandige ultrakurze Infrarot-Laserpulse die Moleküle in einer Probe zum Vibrieren. Die auf diese Weise angeregten Moleküle senden ein schnell oszillierendes elektrisches Feld im Infrarotbereich aus, welches für die molekulare Zusammensetzung der Probe charakteristisch ist. EMF isoliert dieses Signal von den Anregungspulsen und misst es direkt, was zu einer hintergrundfreien Signatur mit reichem Informationsgehalt führt, die wir als den molekularen Fingerabdruck der Bioflüssigkeit bezeichnen. Die Auswertung der im Fingerabdruck enthaltenen Informationen erfolgt mittels fortschrittlicher Algorithmen des maschinellen Lernens. EMF erzielt eine deutlich verbesserte Nachweisgrenze bei der Detektion von Molekülen und einen überlegenen dynamischen Bereich im Vergleich zu bestehenden spektroskopischen Verfahren.
Damit Nerven-, Herz- oder Leberzellen existieren, wachsen und untereinander kommunizieren können, muss der zelleigene Metabolismus wichtige Energieträger und Bausteine zerlegen, umsetzen und aufbauen. Dabei entstehen organische Verbindungen, die sogenannten Metabolite. Während des Krebswachstums teilen sich abnormale Zellen schneller als erwünscht. Dadurch bilden sie nicht nur veränderte Mengen, sondern auch gänzlich andere Arten von Metaboliten. Die genauen Veränderungen sind noch nicht umfassend bekannt. Hunderttausende Metabolite, aber auch sezernierte Proteine und Derivate vieler anderer Molekülklassen, landen schließlich im Blutkreislauf, wo ihre abnormalen Veränderungen auf die Entstehung und das Wachstum von Tumoren schließen lassen. Daran lässt sich der Übergang in den Krankheitszustand ablesen.
Ob diese Veränderungen spezifisch genug sind, um einen bestimmte Art von Krebs ausreichend von allen möglichen anderen Krankheiten abgrenzen zu können, ist nach wie vor eine offene Frage. Mit ihr befassen wir uns im Lasers4Life Projekt. Wir versuchen, charakteristische Fingerabdrücke verschiedener Krebsarten in verschiedenen Stadien des Tumorwachstums zu identifizieren. Zu diesem Zweck rekrutieren wir in Zusammenarbeit mit Fachärzten und Onkologen tausende Teilnehmer für unsere klinischen Studien und analysieren ihre Blutproben mittels molekularer Infrarotspektroskopie. Parallel dazu wird die neue Technologie der ultrakurzen Laserpulse von Laserphysikern unseres Instituts ständig weiterentwickelt und getestet.
