Im Lasers 4 Life Projekt untersucht Physiker Marinus Huber die Blutproben mit Laserlicht. Im Laserlabor LEX Photonics der Ludwig-Maximilians-Universität München lässt der Doktorand infrarotes Licht auf die Blutproben treffen. Nachdem der Laserstrahl mit dem Blut interagiert hat, analysiert Huber wiederum den Wellenlängenbereich des Lichts. Dieser unterscheidet sich nun leicht von dem Licht der Quelle. Denn die im Blut vorhandenen Moleküle haben das Spektrum des Infrarotlichts verändert. Da jedes Blut molekular unterschiedlich zusammengesetzt ist, ergeben sich individuelle Ergebnisse. So erstellen die Forscher für jede Blutprobe einen so genannten individuellen „Chemischen Fingerabdruck“.

Nun gehen die Wissenschaftler der Frage nach, ob man gesunde und krebskranke Personen anhand einer Blutproben-Analyse des „chemischen Fingerabdrucks“ voneinander unterscheiden kann. In bisherigen Experimenten hat das L4L-Team gezeigt, dass es mit der neu entwickelten Lasertechnologie bis zu einem Faktor 50 genauer misst als es mit herkömmlichen Methoden bisher der Fall war. Im nächsten Schritt wird Marinus Huber untersuchen, ob sich diese Empfindlichkeitssteigerung auch für die verlässlichere Erkennung von Krebs nutzen lässt.

Eine wichtige Voraussetzung für eine fundierte medizinische Diagnose ist die Verlässlichkeit des angewandten Tests. Das spielt auch im Lasers4Life Projekt (L4L) eine entscheidende Rolle. Ein Bluttest, der mit Hilfe von Laserlicht-Spektroskopie funktioniert, muss extrem sensitiv sein. Dafür müssen u.a. die Blutproben auf eine besondere Art für die Untersuchung vorbereitet werden.

An dieser Aufgabe arbeitet im L4L-Team die Chemikerin Cristina Leonardo. Sie entwickelt eine Prozedur, bei der das Blut in Bestandteile aufgespalten wird in Eiweiße und Metabolite. Alle Bestandteile sind organische Verbindungen. Sie entstehen in unterschiedlicher Zusammensetzung beim Stoffwechsel gesunder Zellen und Krebszellen. Über Laserlicht werden die L4L-Forscher nun diese verschiedene Molekülgruppen untersuchen, und dabei über den so genannten „Molekularen Fingerabdruck“ diejenigen ausfindig machen, die darauf hinweisen, ob Krebszellen in einem Organismus vorhanden sind.

An dieser Stelle möchten wir uns als L4L Team ganz herzlich bedanken für die große Spendenbereitschaft, die uns am Donnerstag und Freitag letzte Woche in der Frauenklinik der LMU entgegengebracht wurde. Jetzt geht es an die Auswertung der Proben.

Hoher Besuch im Centre for Advanced Laser Applications und dem Laboratory for Extreme Photonics. Dr. László Palkovics, Minister für Innovation und Technologie, besuchte die beiden Laserforschungseinrichtungen der Ludwig-Maximilians-Universität auf dem Forschungscampus in Garching.

Professor Ferenc Krausz und Dr. Andreas Döpp zeigten dem Minister die großen Lasersysteme in den Labors. Beeindruckt zeigte sich der Minister vor allem von den enormen Entwicklungen, die die Lasertechnologie in den letzten Jahren gemacht hat und den damit verbundenen Möglichkeiten für deren Einsatz in der Medizin. Besonderes Interesse galt dem BIRD-Projekt zur Blutanalyse mittels Laserlicht. Eine Zusammenarbeit mit Kliniken in Ungarn wird im Rahmen des Projekts angestrebt.

Gleich nach der Blutabnahme verarbeitet das L4L-Team Ihre Spende im Biolabor. Denn bis das Blut so weit ist, dass es unter dem Laserlicht untersucht werden kann, sind mehrere sorgfältige Aufbereitungsschritte notwendig.

Das Blut besteht etwa zur Hälfte aus Flüssigkeit, dem Blutplasma. In diesem treiben die Blutzellen. Allein in einem Milliliter finden sich rund fünf Milliarden rote Blutzellen, 200 Millionen Blutplättchen und fünf bis zehn Millionen weiße Blutkörperchen. Unsere Studienassistenten eliminieren die festen Bestandteile des Blutes. Nur die Flüssigkeit wird behalten. Das geschieht über eine Art Schleudervorgang beim so genannten Zentrifugieren.

Da das Blut nicht sofort unter dem Laser untersucht wird, wird es zuerst in kleine Kanülen umgefüllt und dann in speziellen Kühlschränken bei minus 80 Grad Celsius zwischengelagert. Das verlangsamt alle biologischen Vorgänge so weit, dass man nun über mehrere Jahre mit den wertvollen Proben arbeiten kann.

Im Lasers4Life-Projekt arbeiten auch Nachwuchswissenschaftler an der Ludwig-Maximilians-Universität. Eine davon ist Maša Božić. Die junge Masterstudentin untersucht die Blutproben mit konventionellem Licht bevor sie vom Laser durchleuchtet werden.

Maša Božić untersucht Blutserum und Blutplasma mit Hilfe der Spektroskopie. Beim Blutserum ist die Flüssigkeit bereits geronnen und keine Gerinnungsfaktoren mehr vorhanden. Dagegen ist das Blutplasma noch nicht geronnen und enthält noch die Gerinnungsfaktoren, wie etwa das Protein Fibrin, ein Art „Klebstoff“ für das Blut, wenn es mit Luft in Berührung kommt, wie etwa bei einer Verletzung.

Sowohl Serum als auch Plasma werden kurz nach der Blutentnahme zentrifugiert, um die Blutzellen von der restlichen Flüssigkeit zu trennen. Danach untersucht Božić die Proben mit dem Spektroskop. Dabei trifft normales Licht auf die Proben. Die Anteile der verschiedenen Wellenlängen verändern sich beim Durchgang durch die Flüssigkeit aufgrund ihrer Zusammensetzung. Die Veränderung des Spektrums gibt Aufschluss über die Zusammensetzung des Blutes.

Auf diese Weise kann man mit dem konventionellen Licht bestimmte Proteine oder Lipide anhand ihrer charakteristischen Absorption des einfallenden Lichts bestimmen. So findet die Studentin bereits mit dieser Methode heraus, wie sehr sich in den Flüssigkeiten das Spektrum einer Person von Tag zu Tag bzw. zwischen verschiedenen Personen unterscheidet. Damit kann in weiteren Messungen dann beurteilt werden, ob Unterschiede in Spektren auf normalen biologischen Schwankungen der Blutzusammensetzung oder etwa doch auf drastischeren Veränderungen, wie Krankheiten beruhen. Erste Erkenntnisse erhält sie auch darüber, wie gut man Spektren von Krebspatienten und Kontrollprobanden in den jeweiligen Flüssigkeiten trennen kann.

Die Ergebnisse von Maša Božić dienen als wichtige Referenz zu den späteren Erkenntnissen aus der Spektroskopie mit dem Laserlicht. Die Analyse mit dem Laserlicht, wie sie im L4L-Projekt entwickelt wird, basiert auf dem gleichen Prinzip. Sie ist jedoch weitaus empfindlicher als die konventionelle Methode und wird viel genaueren Aufschluss darüber geben, welche Bestandteile im Blut eines Menschen vorhanden sind und ob diese auf eine mögliche Erkrankung, wie etwa Krebs, hindeuten.

Nathalie Nagl hat von der Bischöflichen Studienförderung Cusanuswerk ein Promotionsstipendium erhalten. In der Arbeitsgruppe von Dr. Oleg Pronin im LAP-Team hat sie bereits ihre Masterarbeit geschrieben und kann nun ihre Arbeit als Doktorandin weiter vertiefen. Nathalie arbeitet an einer neuen, gepulsten Laser-Lichtquelle, die Strahlung im nahen Infrarotbereich aussendet. Zum Einsatz kommt dabei ein Cr:ZnSe-Kristall als Lasermedium sowie neuartige Dioden, die zum Pumpen des Kristalls benötigt werden.

Das System soll dazu dienen, spezifische Moleküle in biologischen Proben aufzuspüren. Die Moleküle, für die sich Forscher interessieren, sind oft nur sehr schwach konzentriert und damit schwer zu finden. Aus diesem Grund muss eine Laserquelle sehr rauscharm sein und möglichst nur extrem starkes Licht ganz bestimmter Frequenzen aussenden. Denn Moleküle reagieren jeweils auf eine genau definierte Frequenz des Lichts.

Nun möchte Nathalie den Laser tiefer in den Infrarotbereich vordringen lassen. Damit könnte man ein noch breiteres Spektrum an Molekülen detektieren.

Seit 1. Oktober unterstützt Dr. Frank Fleischmann das Broadband Infrared Diagnostics -Team um Dr. Mihaela Zigman. Die Leidenschaft des Biologen war die Botanik, bis er in die medizinische Forschung ging. Bevor Frank Fleischmann zum BIRD-Team wechselte, arbeitete er für eine Genetik-Dienstleistungsfirma, die u.a. Genotypisierungen bei Krebspatienten durchführt.

Im BIRD-Team ist Frank Fleischmann nun für die Verwaltung und Lagerung der Blutproben zuständig. Gerade in der medizinischen Forschung sind eine genaue Dokumentation und der integre Umgang mit den Blutproben enorm wichtig. Denn am Ende der Arbeit soll ein Produkt für den medizinischen Alltag zur Verfügung stehen. Dazu pflegt Fleischmann die extra dafür entwickelte Datenbank und dokumentiert, was genau mit den Proben passiert.

Noch werden das Blutplasma und das zugehörige Serum bei minus 80 Grad Celsius gelagert. Bei diesen Temperaturen können die Proben aber nicht lange genug aufbewahrt werden, bevor das Blut seine Konsistenz verändert und damit unbrauchbar wird. Fleischmann arbeitet nun daran, ein automatisiertes System mit flüssigem Stickstoff als Kühlflüssigkeit zu schaffen, bei dem die Proben bei bis zu minus 180 Grad Celsius gelagert werden. Bei so tiefen Temperaturen stoppt der Kristallisierungsvorgang in der Flüssigkeit und die Struktur der Blutbestandteile bleibt über Jahrzehnte erhalten. Damit wird es dem BIRD-Team möglich, nach einer Weiterentwicklung der Laser-Spektroskopie-Methoden, die Proben erneut zu untersuchen.

Wollen wir in Zukunft bei Vorsorgeuntersuchungen wirklich wissen, ob wir später einmal an Krebs erkranken werden? Die Informationen dazu liegen in unserem Körper. Es gibt sie also — man muss sie nur entschlüsseln. Genau das ist die Aufgabe von Dr. Kosmas Kepesidis, Physiker und Datenwissenschaftler am Broadband Infrared Diagnostics (BIRD) Projekt des Labors für Attosekundenphysik. Sein Name ist passend — „Kosmas“ kommt von dem Griechischem und bedeutet „Kosmos“ oder „Welt“. Und genau das erforscht Kosmas: die Welt im mikroskopisch Kleinen, nämlich die molekulare Zusammensetzung von Blut. Er tut dies mithilfe von Algorithmen, also Zahlen.

Die Wissenschaftler des BIRD-Projekts entwickeln ein Verfahren zur Krebsdiagnose, das auf Infrarotwellen basiert. Sie werden ausgesandt, wenn ultrakurze Laserpulse Moleküle im Blut anregen. Die resultierenden Spektren beinhalten Fingerabdruck-ähnliche Informationen, die ausgelesen werden können. Die Spektren wiederum sollen Aufschluss geben über die molekulare Zusammensetzung des Bluts, und somit den Gesundheitszustandes eines Patienten.

Das Problem ist nur, dass biologische Systeme im Gegensatz zu den abstrakten Modellen der Physik unvorstellbar komplex sind. Tausende Datensätze müssen gesammelt und verglichen werden, und niemand weiß so recht, nach welchen Merkmalen überhaupt gesucht wird. Selbst wenn, wer hätte schon die Zeit dazu? Deshalb entwickelt Kosmas Software, die solche Datensätze mithilfe von künstlicher Intelligenz auswerten kann. In der Zukunft soll dieses Programm die Wahrscheinlichkeit ermitteln, dass ein bestimmter molekularer Fingerabdruck auf Krebs im Frühstadium hinweist.

Zuerst werden Proben von Menschen mit und ohne Krebs gesammelt. Somit entstehen zwei Gruppen von Datensätzen. In Zukunft sollen weitere entstehen, um zusätzlich zwischen verschiedenen Krebstypen unterscheiden zu können. Diese werden dann vorverarbeitet. Zum Beispiel muss entschieden werden, welche Merkmale „Störungsgeräusche“ sind und ignoriert werden müssen. Dann führt Kosmas eine sogenannte „Dimensionalitätsreduktion“ durch, d.h. er konzentriert sich auf die Merkmale, die für die Krebsdiagnose relevant sind (und nicht etwa die, die lediglich den „Alltag“ im Blut wiederspiegeln). Den dritten Schritt bildet die Suche nach einem Modell: welcher Algorithmus eignet sich am besten zur Krebsdiagnose? Das Ziel ist es, künstliche „neuronale Netzwerke“ zu verwenden — Algorithmen, die ähnlich wie biologische Nervensysteme Informationen auf hoher anstatt auf niedriger Ebene verarbeiten. Solche Algorithmen arbeiten also mit abstrakten Mustern und nicht mit Einsen und Nullen wie bei herkömmlichen Rechenoperationen. Neuronale Netzwerke brauchen allerdings riesige Mengen an Informationen, die im Moment in Krankenhäusern auf der ganzen Welt gesammelt werden. Sobald ein geeignetes Modell gefunden ist, wird es ausführlich getestet.

Kosmas’ Ziel ist es, dass seine Forschung in der Zukunft zu einem benutzerfreundlichen Programm führt, das Ärzte zur sofortigen Auswertung von Blutproben direkt in der Praxis verwenden können. Wie lange die Entwicklung dieses Programms dauernd wird, lässt sich heute nur schwer abschätzen. „Es gibt viele verschiedene Faktoren.“ Und während ein Algorithmus der Blutproben als positiv oder negativ diagnostiziert für den medizinischen Alltag vollkommen ausreichend ist, möchten die Wissenschaftler dennoch ganz genau wissen, welche Merkmale des molekularen Fingerabdrucks für eine solche Diagnose verantwortlich sind. Doch Kosmas gefällt die Ungewissheit, die bahnbrechende Forschung mit sich bringt. „Ich weiß nicht, wie meine Arbeit in wenigen Monaten aussehen wird. Ich glaube, es wird sich viel verändern.“

Das Lasers4Life - Projekt erhält Zuwachs. Die Zusammenarbeit mit Kliniken in Ungarn hat begonnen. Das Team um Dr. Mihaela Zigman heißt Dr. Gábor Csík herzlich willkommen. Gábor Csík ist Spezialist für das Management klinischer Studien. Er wird sich vor allem um den Ausbau des Klinik-Netzwerks in Ungarn kümmern. Das L4L-Team arbeitet nun mit der Medizinischen Universität in Szeged, dem Landesinstitut für Pulmologie in Budapest und dem Zentrum für Gefäß- und Herzchirurgie der Semmelweiss Universität in Budapest zusammen. Ein Ausbau des L4L Forschungs-Netzwerks zur Erkennung von Krankheiten über die Infrarotlaser-basierte Analyse des „Molekularen Fingerabdrucks“ ist geplant. Die Kollaboration soll künftig weitere Kliniken, landesweit über Ungarn verteilt, umfassen.

Michael Trubetskov ist Computerspezialist. Er wertet die Informationen aus, die Forscher aus der lasergestützten Analyse von Molekülen im Blut gewinnen.

Als kleiner Junge in der Sowjetunion schraubte Dr. Michael Trubetskov gerne an Metallspielzeug herum. Mit seinen Конструктор-Baukästen setzte er Bauteile zu großen Gebilden zusammen. Daraus entstand eine lebenslange Faszination für die Wissenschaft. Seit 2012 arbeitet Trubetskov nun am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ). Bei seiner Arbeit geht es immer noch darum, nützliche Werkzeuge aus kleineren Bauteilen zu schaffen - doch sein Spielzeug ist jetzt die Software. Trubetskov schreibt Programme, die anderen Wissenschaftlern dabei helfen sollen, Krebs mithilfe von Laserlicht zu diagnostizieren — und das auf nicht-invasive Weise, bevor sich Symptome bemerkbar machen.

„Früher bestimmten die Bauteile, was ich zusammengeschraubt habe“, sagt Michael Trubetskov. In seinem Büro am Garchinger Forschungszentrum türmen sich Bildschirme auf, die einen eintauchen lassen in tiefe Datenozeane und jede Menge Programmiercode. Trubetskov deutet auf die Monitore, „Jetzt arbeite ich mit einem Spielzeug, das unbegrenzte Möglichkeiten bietet. Wenn ich ein neues Bauteil brauche, dann greife ich nicht mehr in den Kasten, sondern mache es selber.“ Trubetskovs Aufgabe ist es, Programme zu entwickeln, die Messdaten für die Krebsdiagnose aufbereiten. „Meine Software hat das Ziel, unverarbeitete Daten zu säubern, d.h. Störgeräusche herauszufiltern, und den eigentlichen Informationswert, der für die Krebsdiagnose relevant ist, zu maximieren.“

Als Mitarbeiter im Broadband Infrared Diagnostics Projekt (BIRD) ist Trubetskov ein Bindeglied in einer Kette von Physikern, Mathematikern und Medizinern, die Laserlicht und Krebsdiagnose verbindet. An der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und dem MPQ arbeiten sie daran, die molekulare Zusammensetzung von Blut mittels Infrarotwellen zu analysieren und so auf den Gesundheitszustand eines Patienten zu schließen. Die Hoffnung: Krebs im Frühstadium zu erkennen, wenn die Heilungschancen am höchsten sind. Doch die Interaktion von Licht und Molekülen ist nicht direkt einsehbar. Die wichtigen Informationen verbergen sich tief in den Messwerten, überschattet von „Störgeräuschen“ der Instrumente und der komplexen Chemie im Blut. Trubetskov soll diese wertvollen Informationen aufspüren. Mithilfe seiner Programme isolieren dann Wissenschaftler die relevanten Daten und bereiten sie auf, bevor diese von einer künstlichen Intelligenz weiter analysiert werden.

Metaphorisch gesehen sucht die BIRD-Forschungsgruppe nach der Nadel im Heuhaufen, oder vielmehr nach Nadeln in zigtausenden Heuhaufen. Die Heuhaufen sind Blutproben, die von Krebspatienten und gesunden Probanden gesammelt werden. Die Nadeln sind die Merkmale des Bluts, die eine Krebsdiagnose möglich machen — auch „molekulare Fingerabdrücke“ genannt. Wenn ein Femtosekundenpuls (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) auf eine Blutprobe trifft, werden die Moleküle im Blut in Schwingung gebracht. Die Moleküle vibrieren. An diesem „Echo“ liest man den molekularen Fingerabdruck ab.

Das Problem ist nur, dass die Wissenschaftler nicht genau wissen, welche Merkmale der Fingerabdrücke Indizien für Krebs sind — das heißt, nach welchen Nadeln sie in den Heuhaufen suchen müssen. Dazu kommt noch, dass es in ihnen nur so von „falschen“ Nadeln wimmelt — Störsignalen, die von den Instrumenten erzeugt werden, und die von den gesuchten Merkmalen nur schwer zu unterscheiden sind. Sauber trennen kann man den ursprünglichen Puls von dem Echo nämlich nicht. Denn das Echo wird von dem Puls erzeugt und beeinflusst. Dazu kommt, dass der Kurzpulslaser selbst noch so neu ist, dass seine Intensität nicht immer konstant ist. Seine Schwankungen sind zufällig und müssen mit einkalkuliert werden.

Um den Vergleich der Blutproben überhaupt möglich zu machen, muss Trubetskov die „falschen“ Nadeln entfernen, die Störsignale ausblenden, und die gesuchten Nadeln isolieren. Erst dann können die relevanten Merkmale analysiert werden. Der Vergleich dieser Merkmale wird anschließend von sogenannten „neuronalen Netzwerken“ durchgeführt, die die Datenmengen nach Mustern durchsuchen.

Das komplizierte Aufbereiten der Messwerte erfordert ein breitgefächertes Wissen. Trubetskovs Ausbildung als Physiker, sowie als Mathematiker und Informatiker, verleihen ihm eine Kombination aus theoretischer und praktischer Erfahrung. „Oft zählt auch die Intuition“, sagt Trubetskov. „Manchmal hat man einfach so ein Gefühl, dass man auf der richtigen Fährte ist. Und man kann Probleme oft nicht lösen, indem man sich nur an den Schreibtisch setzt.“ Wenn Trubetskov an einem kniffligen Problem nicht vorbeikommt, dann geht er schwimmen oder macht am nächsten Tag weiter. „Manchmal muss man einfach etwas anderes machen — und plötzlich fällt einem dann die Lösung ein.“

Eine der größten Herausforderungen ist, dass sich die Anforderungen ständig ändern. „Oft bin ich gerade fertig mit einem Programm, wenn meine Kollegen mich bitten, grundlegende Aspekte komplett zu ändern“, sagt Trubetskov. Um sich in unter diesen Anforderungen zurecht zu finden, setzt Trubetskov auf eine Strategie, die man „agile Softwareentwicklung“ nennt. Anstatt festen Bauplänen zu folgen und die Entwicklung von Programmen bis auf mikroskopische Details zu planen, lässt Trubetskov Freiraum für Veränderungen. „Es ist ein nicht-linearer Prozess.“ Und die Arbeit lohnt sich. „Das höchste Gefühl ist es, wenn etwas funktioniert“. Trubetskov zeigt auf seinen Rechner, der unter dem Tisch vor sich hin surrt. „Das hier ist nicht viel mehr als Silikon und Kabelsalat. Wenn wir dieser Maschine beibringen können, uns Einblicke in die Realität zu schenken, und so eventuell Krebs zu diagnostizieren, dann macht mich das stolz.“ Und so ist aus dem Jungen, der einst an Metallspielzeugen schraubte, ein Forscher geworden, der die Wissenschaft von morgen mitgestaltet.