In der medizinischen Diagnostik müssen oft lange Umwege über Biopsie-Entnahmen und anschließende manuelle Bewertungen der Gewebe genommen werden, um eine bösartige Veränderung eines Gewebes festzustellen. Diese Diagnostik schon während der ersten Operation durchzuführen, kann Zeit, Kosten und Schmerzen ersparen. Für solche Fälle forschen wir an einer Nutzung der Raman-Spektroskopie. Ziel ist es dabei, mit Hilfe von Licht menschlichen Zellen Informationen zu entlocken, die medizinisch relevant und wertvoll sind.
Informationen aus Licht
In der Raman-Spektroskopie, benannt nach dem indischen Physiker C. V. Raman, wird ein Punkt auf einer Probe für einen Sekundenbruchteil mit einem Laser bestrahlt. Das Licht wird von den molekularen Bindungen im Messpunkt wieder zurückgeworfen und kann von einer Kamera aufgenommen werden. Je nachdem an welcher Art von Bindung das Licht gestreut wird, ändert sich die Wellenlänge, mit der es bei der Kamera ankommt, um eine bekannte und sehr spezifische Größe. Für die meisten Bindungen, die in einer biologischen Probe vorkommen, ist uns das Ausmaß dieser Änderung bekannt. Mit diesem Wissen können wir im resultierenden Spektrum genau ablesen, was für Bindungen und somit Biomoleküle im Messpunkt vorhanden sind.
Trifft der Laser beispielsweise auf einen Zellkern, ist darin viel DNA enthalten, die vor allem durch die Phosphatbindung im Rückgrat charakterisiert werden kann. Lipide bestehen aus sehr vielen Kohlenwasserstoffen, die zusammen mit diversen Arten von Kohlenstoffbindungen zum Spektrum beitragen.
Mit dieser Fähigkeit, Biomoleküle zu detektieren, spiegelt die Raman-Spektroskopie Prinzipien der Biointelligenz wider: die Verbindung biologischer Systeme mit smarter Technologie. Sie ermöglicht es, die Zusammensetzung von Geweben und anderen biologischen Proben direkt während der Anwendung zu entschlüsseln und somit technische Prozesse durch die Nutzung naturnaher Mechanismen zu optimieren.
Vom Spektrum zum Bild
Während eine einzelne Raman-Messung nur punktuell stattfindet, können wir mehrere von ihnen auch in einem engen Raster anordnen. Dabei entsteht ein ganz neues Bild der Probe – nämlich ein spektroskopisches. Jedem vermessenen Punkt wird die hauptsächlich im Spektrum vertretene Komponente und eine Farbe zugeordnet. In Abbildung 1, entstanden an der Universität Tübingen, haben wir Pixel mit größtenteils DNA-bezogenen Peaks blau eingefärbt, sie stellen Zellkerne dar. Lipide sind gelb, das Cytoplasma ist pink und Collagen im außerzellulären Gewebe ist grün. Somit können wir ein Gewebe bildlich darstellen, das durch Raman charakterisiert wurde.
Ist ein Gewebe bösartig verändert, unterscheidet sich die Zusammensetzung oft von gesundem Gewebe. Auf molekularer Ebene kann dieser Unterschied durch Raman-Spektroskopie entschlüsselt werden.
Endometriose: Ein erster Blick ist nicht immer genug
Ein gutes Beispiel dafür ist die Krankheit Endometriose, die mindestens 10 Prozent aller Frauen betrifft. Dabei wächst Gewebe, das dem Endometrium – also der innersten Schicht des Uterus‘ – ähnelt, außerhalb des Uterus auf verschiedenen Organen und sorgt dort für schmerzhafte Vernarbungen. Um diese sogenannten Läsionen entnehmen zu können, müssen Ärzte bei einer Operation visuell entscheiden, ob es sich um eine Verwucherung handelt oder nicht.
Dabei kommt es bislang auf die Expertise des Chirurgen und die äußerliche Erscheinung der Läsion an, ob sie letztendlich korrekterweise herausoperiert werden kann. Daher ist es hilfreich, schon während der Operation objektive Entscheidungshilfen zu haben. In der Zukunft könnte dafür die Raman-Spektroskopie genutzt werden, da wir mit ihrer Hilfe zwischen den molekularen Zusammensetzungen des gesunden und kranken Gewebes unterscheiden können. Die Vorarbeit dazu führen wir bereits im Labor durch, besonders durch die extensive Charakterisierung der beiden Gewebetypen, wie hier in einer Kooperation zwischen dem NMI und der Universität Tübingen. (hier Abbildung 2)
Die Forschung zum Einsatz von Raman-Spektroskopie in der Charakterisierung von Endometriose erfolgt im Rahmen des Projekts ENDO-RELIEF, gefördert durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (FKZ 01EJ2403B).
Mehr über das Projekt ENDO-RELIEF
