Optische Technologien: Das medizinische Multitalent Licht (1. Teil)

von Wiebke Heiss/MEDICA.de

Es ist ultraviolett, sichtbar und infrarot und wird in der Medizin eingesetzt. Mit Licht versuchen Forscher für mehr Durchblick in Labor, OP und Arztpraxis zu sorgen. Es ist die Grundlage für optische Technologien - zum einen, um sichtbar zu machen, was der Mensch nicht sehen kann, zum anderen, um zu therapieren.15.02.2009

Darth Vader aus der Science Fiction-Saga Star Wars ist ihm zwar unbekannt, aber die Idee eines Laserschwerts ist für Peter Hering vollkommen realistisch. Der Professor kennt sich schließlich mit dem Schneidepotential von Licht genau aus. Er ist Leiter des Instituts für Lasermedizin am Universitätsklinikum Düsseldorf und arbeitet an einem Gerät, das durch Knochen gleiten kann. Das ist eine Aufgabe, die einer Menge Fingerspitzengefühl bedarf. Zum einen sind Knochen nämlich ein irrsinnig hartes Material - doppelt so hart wie Granit und die Schmelztemperatur liegt bei 1300 Grad Celsius. Zum anderen sind sie gleichzeitig ein delikates, lebendes Gewebe, das noch nicht einmal Wärme über 42 Grad Celsius verträgt: Ab dieser Temperatur beginnen die stützenden Zellen zu sterben.

Diese speziellen Eigenschaften machen die seit Jahrhunderten benutzte OP-Säge zu einem gar nicht so idealen Instrument: Sie zerstört Knochenzellen auf ihrem Weg durch Sternum oder Schädeldecke nicht nur mechanisch, sondern auch durch einen Nebeneffekt: Wenn sich der Chirurg mit viel Kraft durch das steinharte Gewebe arbeitet, treibt ihm das vor Anstrengung auf der einen Seite den Schweiß auf die Stirn, auf der anderen aber auch die Reibungshitze in die Schnittränder – das Todesurteil für dort lebende Knochenzellen. Mit dem neuen Laser wird das laut Hering nicht mehr passieren, indem sich der Physiker eine weitere Eigenschaft von Knochen zunutze machte: Sie bestehen zu knapp einem Viertel aus Wasser.

Mikroexplosionen reißen Knochen mit

Glatter Schnitt wie aus dem
Nichts; © Peter Hering

Hering und sein Team konstruierten daher einen Laser mit einer ganz speziellen Wellenlänge, welche dieses Wasser extrem schnell erhitzt. „So schnell, dass es in kleinen Mikroexplosionen rausfliegt und das so schnell, dass es die Schnittkanten gar nicht erst erhitzen kann.“ Der nur wenige Nanosekunden lange Lichtpuls dringt dabei 20 Mikrometer tief in den Knochen ein und in der Tiefe reißen die winzigen Wasserblasen umliegendes Knochenmaterial mit sich fort. Punkt für Punkt arbeitet sich der Laser so durch das harte lebende Material. Das Resultat ist ein extrem dünner Schnitt, der mit 150 Mikrometer um einige Dutzend Mal schmaler ist als die fünf Millimeter breite Lücke, die eine moderne Säge hinterlässt. „Da passt so gerade mein Barthaar rein“, so der Professor.

Da man mit dem Laserschnitt berührungslos arbeitet, kann der Chirurg auch in Bögen schneiden. Das könnte laut Hering bei Herz-OPs zum Einsatz kommen. Bisher wurde der Brustkorb mit einem geraden Schnitt geöffnet und dann wieder mit Drähten relativ starr verdrillt. „Um die 40 Prozent der Patienten haben nach der konventionellen OP beim Atmen erhebliche Schmerzen. Die Angst ist dann groß, weil sie nicht wissen, ob der Schmerz vom Herzen kommt oder mit der Heilung zusammenhängt“, meint Hering. Ein geschwungener Schnitt in Sinusform könne die Heilung möglicherweise unterstützen. Die Theorie: Weil die Knochen sich dann von allein ineinander verhaken und sie sich beim Atmen frei hin und her bewegen können, heilen sie schneller. Hering: „Wir gehen davon aus, dass das besser funktioniert."

- 1. Teil: Das medizinische Multitalent Licht
- 2. Teil: Der Pathologe auf der Endoskopspitze
- 3. Teil: Zwei Photonen und die Forschung

2. Teil: Der Pathologe auf der Endoskopspitze


Der zweitgrößte Markt für optische Technologien in Deutschland ist laut dem deutschen Industrieverband Spectaris die Medizintechnik. Im Jahr 2005 wurden in Deutschland zum Beispiel 2,9 Milliarden Euro Umsatz generiert. Das umfasst Brillengläser, Mikroskope und Laser ebenso wie diagnostische Scanner für das Labor. Schätzungen für den Bereich Endoskope und Zubehör gehen davon aus, dass sich der Umsatz auf dem Weltmarkt hier innerhalb von zehn Jahren verdoppeln wird.

Endoskope werden nämlich in der Medizin in Zukunft eine immer größere Rolle in OP und Arztpraxis spielen. „Der technische Fortschritt erlaubt es, immer flexiblere Endoskope herzustellen“, erklärt Herbert Stepp vom Laser-Forschungslabor am Klinikum der Universität München. Das ist wichtig, weil Mediziner minimal-invasiv an die verschiedensten Stellen im Körper kommen möchten. Allerdings gibt es einen Haken: Je flexibler das Endoskop ist, desto weniger Platz bietet es für die Optik.

Die Chip on the Tip-Technik könnte das ändern: Statt wie bei der starren Endoskopie per Kamera durch eine Röhre in den Körper zu filmen, wird eine Minivariante kaum größer als ein Stecknadelkopf direkt an der Endoskopspitze angebracht, um aus nächster Nähe auf das Gewebe schauen zu können. „So erreichen wir eine Bildqualität wie mit einem starren Endoskop, aber eben mit einem flexiblen“, meint Stepp.

Mit dem Mikroskop in den Körper

Biegsam, dünn und weich können Endoskope immer mehr Aufgaben übernehmen mit einem ganz bestimmten Ziel: „Wir wollen auch das sichtbar machen, was man mit dem bloßen Auge nicht erkennt“, sagt Stepp. Die Technologien, die der Pathologe im Labor benutzt, um Gewebeproben mikroskopisch zu untersuchen, müssen einfach an die Spitze des Endoskops verlagert werden.

Das funktioniert schon bei der konfokalen Mikroskopie, die bei der Diagnose von Darmkrebs helfen könnte: Mediziner benetzen Darmgewebe durch ein Endoskop mit einem Kontrastmittel und dann wird die winzige Mikroskop-Sonde durch den Schlauch vor Ort geschoben. Ein Laserstrahl durchdringt die Darmwand zirka 100 Mikrometer tief und offenbart mit Hilfe des Kontrastmittels laut Stepp die Darmzellstrukturen - vom Zellkern bis zum Zytoplasma. „Weil im Darm die Zellstrukturen einem sehr typischen Muster folgen, kann man bei einer Veränderung der Muster zwischen den Zellen, von einem Verdacht auf ein Kolonkarzinom ausgehen.“

Blase: Wo es leuchtet sitzt
vielleicht der Krebs
© LFL Uni München

Auch die optische Kohärenztomografie (OCT) findet sich immer öfter auf der Spitze von Endoskopen wieder. Das ist eine Technologie, die wie ein Ultraschall funktioniert, doch statt Schall wird nahinfrarotes Licht in den Körper geschickt. Das Resultat ist ein dreidimensionales Bild, das zwar unschärfer, aber dafür tiefer in Gewebe eindringt als mit Laserlicht. Auch die OCT ist schon als Sonde kommerziell erhältlich und Stepp untersucht mit Kollegen ihren Nutzen, um Blasenkarzinome besser identifizieren zu können. Bisher gab es nämlich viele falsch-positive Ergebnisse.

„Da muss man genauer hinschauen“, meint der Physiker. Also wird nun bei einem Verdacht auf bösartiges Gewebe in der Blase die OCT-Sonde durch den Endoskopieschlauch geschoben und direkt auf die Blasenwand aufgesetzt, um in das Gewebe zu schauen. Dort suchen die Forscher nach der Schichtgrenze zwischen Schleimhaut und Bindegewebe. Denn: „Bei bösartigen Prozessen verdickt sich die Schleimhaut“, so Stepp. Könne man keine Schichtgrenze zum Bindegewebe erkennen, dann sei das ein starker Hinweis auf einen invasiven Prozess, kurz Krebs. „Wir hoffen so, die falsch-positiven Aussagen zu reduzieren.“

- 1. Teil: Das medizinische Multitalent Licht
- 2. Teil: Der Pathologe auf der Endoskopspitze
- 3. Teil: Zwei Photonen und die Forschung

3. Teil: Zwei Photonen und die Forschung


Optische Technologien liefern aber auch vollkommen neue Einblicke in der Grundlagenforschung. „Die 2-Photonen-Mikroskopie ist für uns ein einziger Segen“, stellt Frank Kirchhoff fest. Der Leiter des Lehrstuhls für Molekulare Physiologie an der Universität des Saarlandes untersucht mit dieser jungen Methode das Gehirn und bringt vollkommen neue Erkenntnisse über das Denkorgan zu Tage. "Wir können nun einen direkten Blick in lebendes Gewebe werfen – auf der Ebene einzelner Zellen."

Das Verfahren basiert auf einem äußerst seltenen Phänomen: Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Photonen gleichzeitig ein Farbstoffmolekül treffen, liegt bei einmal alle zehn Millionen Jahre. Aber Entwicklungen in der Lasertechnologie machen es weitaus öfter möglich. Dann treffen die Lichtsignale für eine Dauer von Femtosekunden, das sind 0,000 000 000 000 001 Sekunden, auf Gewebe und regen zuvor markierten Zielstrukturen zur Fluoreszenz an. Mit dem infrarotem Licht, dringt man tief in Gewebe ein - tief genug, um in den Cortex von Mäusen zu schauen.

Katastrophenhilfe und Müllabfuhr im Hirn

Mikrogliazellen: Mit einer Art
Tentakeln scannen sie das
Hirn; © Frank Kirchhoff

Dort räumten Kichhoff und Kollegen mit einem Irrglauben auf. Denn Gliazellen im Hirn, die lange Zeit als eine Art Nervenkitt für Neuronen galten, erfüllen weitaus mehr Rollen: „Man hatte nicht erwartet, dass Mikrogliazellen zum Beispiel kontinuierlich das Hirngewebe in ihrer Nachbarschaft abscannen“, sagt Kirchhoff. Diese mit dem Immunsystem verwandten Zellen sind mittlerweile als eine Mischung aus „normaler Müllabfuhr“ und „technisches Hilfswerk im Katastropheneinsatz“ anzusehen: Im gesunden Hirn schaffen die Zellen mit kleinen Tentakeln Metabolismus-Abfallprodukte der Gehirnzellen weg. Im Falle eines Notfalls folgen sie einem Stoff, der aus geschädigten Zellen entweicht, um verletztes Gewebe zu finden und dieses von gesundem abzuschirmen.

Kirchhoff konzentriert sich auf Mikrogliazellen, weil die am schnellsten und heftigsten aktiviert werden bei einer Verletzung. „Sie wandern zum Unfallort, schicken Fortsätze dorthin, fressen Material auf, schaffen Ordnung“, schwärmt der Molekularbiologe. Daher könnten sie eine wichtige Rolle bei Multipler Sklerose, Alzheimer oder Gehirnverletzungen spielen: „Wir untersuchen wie sich die Mikrogliazellen bei Alzheimer-Plaques verhalten. Fressen die Zellen die Plaques auf oder was machen sie da?“ Auch Rückenmarksverletzungen können mit der 2-Photonen-Mikroskopie an der lebenden Maus simuliert und der Krankheitsverlauf über Monate beobachtet werden. „Denken sie dabei nur an Querschnittgelähmte“, erklärt Kirchhoff, der noch eins auf dem Herzen hat: "Ich hoffe, dass die 2-Photonen-Mikroskopie eines Tages mit dem Nobelpreis belohnt wird."

Wiebke Heiss
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