Eine weltweit einzigartige Lasertechnik zur Analyse der molekularen Zusammensetzung in biologischen Systemen haben Forscher des Labors für Attosekundenphysik entwickelt. Könnte ein Zusammenspiel aus Lasertechnik und Molekularforschung helfen, künftig Krankheiten frühzeitig zu erkennen?

Der Mix an Molekülen, der durch unseren Körper strömt, ist einzigartig und individuell. Diese Mischung kann u.a. Aufschluss über den Zustand von Organismen geben. Die große Kunst ist es nur, ihn in seiner ganzen Komplexität auszulesen. Das ist bisher unmöglich, da Messgeräte nicht empfindlich genug sind, um auch nur ansatzweise die Gesamtheit aller Moleküle richtig zu erfassen. Diesem Ziel ist man nun einen Schritt nähergekommen. Wissenschaftler des Labors für Atttosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben nun ein weltweit einzigartiges Laser-Messsystem entwickelt, das – quer durch verschiedenste Molekültypen – kleinste Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung von biologischen Proben detektieren kann.

In Organismen zirkulieren die verschiedensten Arten von Molekülen, den Bausteinen des Lebens. Während des Stoffwechsels in Zellen werden ständig neue Moleküle produziert und in die Umgebung, u.a. auch in das Blut, abgegeben. Eines der großen Ziele der Biomedizin ist es, mit diesem Molekülmix Auskunft über den Zustand des Organismus zu gewinnen. Denn auch entartete Zellen, wie etwa Krebszellen im menschlichen Körper, produzieren ihre ganz charakteristischen Moleküle. Sie sind zumindest ein erster Hinweis auf eine Erkrankung. Das Problem dabei ist: Es gibt bisher nur äußerst wenige bekannte Indikatormoleküle und meist sind nur sehr wenige dieser Indikator-Moleküle im Blut vorhanden. Dementsprechend schwer ist es, diese nachzuweisen. Die Biomedizin geht aber davon aus, dass es sehr viele unbekannte molekulare Krankheitssignaturen in verschiedensten Molekülklassen gibt (Protein-, Zucker-, Fettderivate etc.). Die große Herausforderung ist es, sie umfassend und genau genug mit einer einzigen Methode zu detektieren.

Um diesem Ziel näher zu kommen, hat ein interdisziplinäres Team aus Physikern, Biologen und Datenwissenschaftlern des Labors für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) unter der Leitung von Prof. Ferenc Krausz, ein neues Laser-Messsystem entwickelt. Mit seiner Hilfe wird es möglich, Fingerabdrücke der molekularen Zusammensetzung von Proben jeglicher Art, wie etwa biologischer Systeme in Form von Infrarotlicht zu erhalten. Die Technologie arbeitet mit einer bisher noch nie erreichten Empfindlichkeit und kann für jede Biomolekülklasse eingesetzt werden.

Das System basiert auf Technologien, die im Labor für Attosekundenphysik für die Ultrakurzzeitmetrologie entwickelt wurden. Das neue Laserspektrometer, gebaut vom Team um Dr. Ioachim Pupeza, beruht auf der Emission extrem starker Infrarot-Laserpulse über ein breites Spektrum im infraroten Wellenlängenbereich, die nur Femtosekunden dauern (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde, 10-15s). Das Prinzip dahinter: Moleküle werden durch die ultrakurzen Infrarot-Laserpulse zum Schwingen angeregt. Die Lichtpulse wirken auf die elektronisch gebundenen Teilchen ähnlich wie ein kurzer Hammerschlag auf eine Stimmgabel. Danach schwingen die Moleküle selbständig weiter und senden dadurch kohärentes Licht mit charakteristischen Wellenlängen/Frequenzen aus. Die neue Technologie detektiert dabei die gesamte schwingende Lichtwelle. Jede molekulare Verbindung schwingt bei bestimmten Eigenfrequenzen und trägt damit einen wohldefinierten Anteil zur detektierten Lichtwelle bei. Hier kann sich kein Molekül mehr verstecken.

„Wir haben mit unserem Laser nun einen breiten Wellenlängen-Bereich im Infrarot, von 6 bis 12 Mikrometer, für die Anregung von Molekülen abgedeckt“, erklärt Marinus Huber, Co-Erstautor der Studie und Mitarbeiter im Team von Biologin Dr. Mihaela Zigman, deren Team im Labor für Attosekundenphysik ebenfalls an den Experimenten beteiligt war. „Anders als etwa die Massenspektroskopie gewährt uns diese Methode Zugang zu allen Molekültypen, aus denen biologische Proben zusammengesetzt sind“, erklärt Zigman.

Die kurzen Laserpulse zur Molekülanregung bestehen aus nur wenigen Schwingungen des Lichts. Das System erreicht dabei eine zweimal höhere Strahlungs-Brillanz, also Dichte an Photonen, als konventionelle Synchrotrons, in denen bisher Strahlung für ähnliche Molekularspektroskopie erzeugt wurde. Zudem ist die Infrarot-Strahlung räumlich und zeitlich kohärent. Alle physikalischen Parameter zusammen sind verantwortlich für die extrem hohe Sensitivität des neuen Lasersystems. Somit können auch sehr kleine spezifische Molekülkonzentrationen detektiert und damit der „molekulare Fingerabdruck“ sehr genau erstellt werden. Die neuen physikalischen Parameter ermöglichen es nun erstmals, wasserhaltige lebende Proben, die bis zu 0,1 mm dick sind, mit Infrarotlicht zu durchleuchten und dadurch mit bisher nicht dagewesener Empfindlichkeit zu analysieren. In ersten Experimenten mit der neuen Technologie hat das LAP-Team bereits feste Organismen, wie Blätter und lebende Zellen, aber auch Blutproben erkundet.

Es ist faszinierend, elektrische Signale aus Molekülen mit einer so hohen Empfindlichkeit nachzuweisen, zeigen sich Ioachim Pupeza und Marinus Huber begeistert. „Diese präzise Messung von Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung von Körperflüssigkeiten eröffnet neue Möglichkeiten in der Biologie und Medizin und könnte künftig insbesondere in der Frühdetektion von Krankheiten, Anwendung finden,“ ergänzt Zigman.

Der Mix aus Molekülen im Blut oder in anderen Körperflüssigkeiten von Organismen könnte Aufschluss über deren Gesundheitszustand geben. Für die Humanmedizin heißt das: Wüsste man genau, welche Moleküle in unserem Körper zirkulieren, wäre es möglich Rückschlüsse auf eventuell vorhandene Krankheiten zu ziehen. Doch eine exakte Analyse ist sehr schwierig und bedarf sensitiver Messtechniken wie etwa Infrarotlaser, die ein Team des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität gerade entwickelt. Erste Experimente zur Analyse des Molekülmixes im Blut laufen bereits.

Um nun speziell eine Diagnosemöglichkeit für Prostatakrebs zu entwickeln, wollen die Mediziner und Physiker nun auch den so genannten Exprimaturin mit Laserlicht untersuchen. In diesem befinden sich Sekrete aus der Prostata, wie etwa Präejakulat, das nach kurzer Prostatauntersuchung freigesetzt wird. Dessen molekulare Zusammensetzung könnte Aufschluss darüber geben, ob eine Person an Prostatakrebs erkrankt ist. Das Team hat bereits zahlreiche Proben von Patienten des Klinikums Großhadern gesammelt. Nun benötigen die Wissenschaftler aber auch eine gesunde Referenzgruppe und sind auf der Suche nach freiwilligen männlichen Probanden, jeder Altersgruppe.

Sie können helfen, indem sie mindestens dreimal eine Urin- und Exprimaturinprobe im Klinikum der Universität München, Großhadern, Marchioninistraße 15, 81377 München, abgeben. Nach der konventionellen Urinprobe wird die Prostata sehr kurz stimuliert und anschließend erneut der Mittelstrahlurin aufgefangen. Die Probenabgabe ist pseudonymisiert und wird mit einem Gutschein im Wert von 10 Euro pro Abgabe vergütet.

Termine bei unserem Studienarzt Dr. Michael Chaloupka sind am 11.11, 18.11, 25.11, 2.12 und 5.12nach Anmeldung möglich, weitere Termine werden regelmäßig angeboten. Nach Absprache sind auch individuelle Terminvereinbarungen möglich. Anmeldung und weitere Informationen erhalten Sie unter: L4L-studien@med.uni-muenchen.de oder 089-4400-59250.

Bitte helfen Sie uns, Prostatakrebs künftig verlässlich im Frühstadium diagnostizieren zu können.

Das Studienteam freut sich auf Ihren Besuch.

Juyeon Park ist als Praktikantin zu Gast im Labor für Attosekundenphysik. Die Südkoreanerin ist begeistert vom Zusammenspiel der Physik und Biologie.

Wie funktioniert das Zusammenspiel zwischen biologischen und physikalischen Prozessen? Das möchte Juyeon Park praxisnah lernen. Die Südkoreanerin hat Biologie und Physik studiert und ist jetzt Praktikantin in der Broadband Infrared Diagnostics (BIRD) Gruppe des Labors für Attosekundenphysik (LAP). Im BIRD Projekt entwickeln die Forscher eine Methode um Krebs mit Hilfe von Laserlicht zu diagnostizieren.

“Ich möchte herausfinden, wie die Physik hilft, den menschlichen Körper besser zu verstehen”, sagt Juyeon. Sie spricht mit leiser, aber ausdrücklicher, Stimme. Ihre Augen, die sich etwas hinter einer dratigen Brille verstecken, beobachten die Welt aufmerksam. Juyeons Frage stellen sich auch die Wissenschaftler des BIRD-Projekts im LAP-Team. BIRD ist ein interdisziplinäres Forschungsprojekt, in dem Lasertechnologie verwendet wird, um Krebs künftig auf nicht-invasive Art zu diagnostizieren—und das bereits im Frühstadium, noch bevor sich Symptome bemerkbar machen. In der Theorie funktioniert das wie folgt: Infrarotlicht wird ausgesandt, Das regt bestimmte Moleküle im Blut an zu schwingen. Die Moleküle senden wiederum charakteristische Strahlung aus. Die daraus resultierenden Spektra beinhalten Fingerabdruck-ähnliche Informationen, welche ausgelesen werden können. Diese wiederum sollen Aufschluss geben auf die molekulare Zusammensetzung des Bluts, und somit den Gesundheitszustand eines Patienten.

Im BIRD-Team arbeiten Physiker, Biologen und Datenexperten daran, diese Theorie in die Praxis umzusetzen. Juyeon ist nun ein Teil dieses Teams. Eine ihrer Aufgaben ist es, die Konzentration von Substanzen mithilfe der sogenannten Spektroskopie zu bestimmen. Dazu misst Juyeon die Spektren von künstlichen Proben aus 26 verschiedenen Proteinen, dessen Konzentration bekannt ist. Diese Spektren kann sie anschließend mathematisch analysieren und so herausfinden, wie das Spektrometer verschiedene Substanzen erfasst. Zum Beispiel erforscht Juyeon, ob einzelne Proteine, die an sich unter der Erfassungsgrenze des Spektrometers liegen, dennoch von diesem detektiert werden, wenn man deren Anzahl erhöht.

Ebenfalls analysiert Juyeon echte Blutproben von Lungenkrebspatienten mithilfe von Infrarotlicht. Die resultierenden Spektren gleicht sie dann mit dem bekannten Gesundheitsbild der Patienten ab. So können etwaige Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Spektren, wie zum Beispiel deren Intensität, mit dem Alter oder der Größe der Tumore festgestellt werden. “Es ist das erste Mal, dass ich hautnah erlebe, wie die Laserphysik uns Einblicke in die komplexe Welt der Biologie verschafft”, so Juyeon.

Juyeon ist seit ihrer Kindheit von der Natur fasziniert. Sie wuchs auf in der Gyeonggi-do Provinz, südlich von Seoul, und stellte sich schon damals Fragen über das lokale Klima. „Zum Beispiel wollte ich schon früher die Temperaturschwankungen zwischen den Jahreszeiten, und die Eigenschaften des Windes, verstehen“, sagt Juyeon. „Das war mir damals unerklärlich und hat mich irgendwie angezogen.“ Insbesondere aber interessierte Juyeon die Komplexität des menschlichen Körpers. An ihrer Universität in Seoul, Ewha Womans University, studierte sie deshalb Biologie im Hauptfach und entwickelte schließlich ein starkes Interesse an der Physik. „Der Körper ist immerhin ein physikalisches Objekt”, sagt Juyeon. „Und die Physik ist grundlegender als die Biologie.” Außerdem bietet die Physik hochpräzise Möglichkeiten, den menschlichen Körper zu verstehen. Aus diesem Grund kam Juyeon schließlich auch nach Garching für ihr Praktikum, das noch bis Herbst läuft und von der Max-Planck-Postech/Korea Research Initiative in Südkorea, sowie dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik unterstützt wird.

Es ist Juyeons erstes Mal in Deutschland und ihr Leben hier ist, wie sie selbst beschreibt, anders als in Südkorea. „Garching ist eine sehr ruhige Stadt—zumindest im Vergleich zu den Menschenmassen in Seoul, in denen ich mich sonst auf dem Weg zur Uni verliere“, sagt sie lächelnd. Auf dem Garchinger Forschungscampus, mit den umliegenden Isarauen, könne sie sich gut auf ihre Arbeit konzentrieren. „Es ist friedlich und die Luftqualität ist sehr gut.“ Außerdem mag sie die Weite und Stille der bayerischen Alpen, die sie in den Osterferien besuchte. In ihrer Freizeit sucht Juyeon, nach all dem Nachdenken und Forschen, Stille im Yoga. „Ich besuche auch einen Deutschkurs an der Ludwig-Maximilians-Universität—aber die Aussprache ist unglaublich schwierig“, seufzt sie mit einem leichten Lächeln. In der Zukunft möchte Juyeon weiter studieren und das Zusammenspiel zwischen biologischen und physikalischen Prozessen näher erforschen.

Der neue Pipettierroboter ermöglicht den Lasers4Life-Wissenschaftlern eine schnelle Aufbereitung von Blutproben für die Untersuchung unter Laserlicht.

Die Mitarbeiter des Lasers4Life-Projekts (L4L) haben einen neuen fleißigen Helfer. Im Biolabor des Laboratory for Extreme Photonics (LEX) der Ludwig-Maximilians-Universität München übernimmt seit März ein Pipettierroboter die Vorbereitung der Blutproben für die anschließende Untersuchung mit dem Infrarotlaser. Das Ergebnis der Untersuchung ist ein molekularer Fingerabdruck, der sich bei Blut von gesunden und erkrankten Patienten unterscheidet. Die Forscher nutzen die Blutproben der Spender zur Entwicklung einer Diagnostik zur Früherkennung von Krebs.

Wenn Dr. Frank Fleischmann das neue Biolabor des Laboratory for Extreme Photonics betritt, hofft er auf grünes Licht. Dieses Licht sollte der neue Pipettierroboter ausstrahlen. „Grün signalisiert, dass das Gerät einwandfrei läuft“, erklärt Fleischmann, der für die Blutprobenaufbereitung verantwortlich ist. Das Gerät unterstützt die Forscher bei der Vorbereitung von Blutproben für die anschließende Analyse unter infrarotem Laserlicht. Die Blutproben stammen zum einen von Krebs-Patienten und zum anderen von gesunden Spendern. Mit dem Laserlicht erstellen die Forscher dann einen so genannten „Molekularen Fingerabdruck“. Sie analysieren dazu per Spektrometrie den Molekülmix des Blutes. Dieser unterscheidet sich, je nachdem ob ein Patient krank oder gesund ist. So möchte man eine Frühdiagnose-Methode entwickeln, die es aufgrund der molekularen Zusammensetzung des Bluts ermöglicht auf Krankheiten schließen zu können.

„Mittlerweile haben wir so viele Proben, dass sich eine Automatisierung in der Aufbereitung lohnt“, erklärt Fleischmann, während hinter ihm das Gerät seine Arbeit verrichtet. „Der Apparat wurde auf die Bedürfnisse des Labors angepasst“, sagt der Biobankexperte-Experte. Ihm ist ein sogenannter DeCapper vorgeschaltet, der die Deckel von den Probengefäßen abnimmt und sie wieder aufsetzt. Zudem sind alle Probengefäße mit individuellen Barcodes versehen, um eine lückenlose Rückverfolgung der Probe während des gesamten Bearbeitungsprozesses zu ermöglichen. Der Roboterarm im Inneren, der bis zu zwei Meter pro Sekunde zurücklegen kann, besitzt acht Pipettierkanäle. So automatisiert haben die L4L-Forscher seit April 2.500 Blutproben aufbereitet.

Der Roboter portioniert die Blutproben in kleinste Mengen. Für die Untersuchungen unter Laserlicht wird zum einen Blutserum verwendet. Das ist der flüssige Überstand nach der Trennung von geronnenem Blut in feste und flüssige Bestandteile. Zum anderen untersuchen die Forscher Blutplasma. Versetzt man Blut mit Gerinnungshemmern, damit es nicht gerinnt, und zentrifugiert es dann in flüssige und feste Bestandteile, spricht man beim flüssigen Anteil von Blutplasma. Das Biolabor befindet sich direkt neben dem Laserlabor, so dass die Blutproben der Spender ohne größeren Transfer zunächst im Roboter vorbereitet und dann unter Laserlicht untersucht werden.

„Mittelfristig soll der Roboter auch Blutproben für die Grundlagenforschung im Bereich der Herz-Kreislauf-Erkrankungen aufbereiten“, erklärt Fleischmann Dabei wird allerdings nur Blutplasma zum Einsatz kommen, weil Herzinfarkt-gefährdete Patienten in der Regel aus therapeutischen Gründen bereits Gerinnungshemmer im Blut haben und somit kein Serum gewonnen werden kann. Zudem soll das Gerät die Blutproben nicht nur portionieren, sondern auch in weitere Bestandteile fraktionieren. Für detaillierte Untersuchungen im Laserlicht nutzen die Wissenschaftler jeweils drei verschiedene Fraktionen von Serum oder Plasma. In mehreren Schritten werden dazu nacheinander bestimmte Proteine und eine proteinfreie Fraktion abgetrennt.

Das LEX-Labor für die Blutuntersuchungen mit dem Pipettierroboter ist mit der Sicherheitsstufe BIO II gekennzeichnet, weil es sich um zunächst ungetestete Proben handelt, die beim Menschen Krankheiten auslösen können, man aber vorbeugen oder sie behandeln kann. Der Pipettierroboter leistet hier einen zusätzlichen Beitrag, um das Ansteckungsrisiko für die Wissenschaftler zu minimieren. In Zukunft gibt es auch weiterhin viel Arbeit für den Roboter, weil die L4L Studie zur Früherkennung von Krebs auf bis zu 37.000 Teilnehmer ausgeweitet werden soll. Das Probenmaterial wird dabei lediglich mit einem Pseudonym beschriftet an die Wissenschaftler weitergeleitet, so dass die Zuordnung zu einem Studienteilnehmer nur für die klinischen Ärzte möglich ist. Für diese Studie werden noch gesunde Blutspender um Proben gebeten. Mehr Infos unter: www.lasers4life.de.

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.

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.

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.“

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.