Forschungsschwerpunkt A: Sensorentwicklung

A1 – Diskriminierung tieferliegender Gewebestrukturen mittels modellgestützter optischer Sensorik

Die Gewebedifferenzierung spielt in der Onkologie eine zentrale Rolle. Eine Möglichkeit zur Diskriminierung von Gewebegrenzen ist die Bestimmung elastischer Parameter mittels optischer Methoden. Dieser Ansatz beruht darauf, dass Tumorgewebe eine veränderte Morphologie gegenüber gesundem Gewebe aufweist. Das verstärkte Wachstum des Tumorgewebes führt zu einer dichteren, aber weniger organisierten Struktur des malignen Gewebes und zu Veränderungen der extrazellulären Matrix. Die erhöhte Dichte der extrazellulären Matrix hat eine Veränderungen der elastischen Parameter des Gewebeverbunds zur Folge. Ziel von Forschungsprojekt A1 ist die Detektion der veränderten mechanischen Eigenschaften des Gewebes mit Hilfe von optischen Verfahren.

Diskriminierung tieferliegender Gewebestrukturen mittels modellgestützter optischer Sensorik

Das übergeordnete Ziel aller neuen interventionellen Verfahren in der Chirurgie ist die Vereinbarung minimaler Invasivität und hoher Effektivität mit einer kurzen Behandlungsdauer und geringen Komplikationsraten. Ein zentraler Aspekt in der Onkologie ist die Unterscheidung der malignen Zielstrukturen und des umgebenden Gewebes während des operativen Eingriffs. Die Schnellschnittdiagnostik gilt als Goldstandard der intraoperativen Gewebedifferenzierung. Das Gewebe wird bei diesem Verfahren direkt nach der Resektion in ein Labor gebracht, in Schichten geschnitten, angefärbt und histopathologisch untersucht. Die Operation muss dazu meist bis zum Vorliegen des Ergebnisses unterbrochen werden. Zudem sind hier Therapie (Tumorentnahme) und Diagnose (histologische Untersuchung) sowohl räumlich als auch zeitlich voneinander getrennt.

Die Fusion von neuartigen, multimodalen Sensoriken mittels maschineller Lernverfahren weist ein hohes Potential auf, das über die einzelnen Sensoren hinausgeht. Die multimodalen Sensoriken sollen die Operateurinnen und Operateure als Ergänzung zur Schnellschnittdiagnostik bei der Entscheidungsfindung zwischen Resektion und Gewebeerhalt unterstützen. Im Rahmen des multimodalen Ansatzes sollen Sensoriken entwickelt und verwendet werden, welche durch die veränderten Gewebeeigenschaften eine schnelle und intraoperative Beurteilung des Gewebes ermöglichen.

Um für den Patienten einen maximalen Funktionserhalt zu ermöglichen, ist eine kleinvolumige Identifikation der Tumorgrenzen notwendig. Das zentrale Thema des Forschungsprojekts A1 ist die Diskriminierung der Gewebegrenzen anhand elastischer Parameter mittels optischer Methoden. Dieser Ansatz beruht darauf, dass Tumorgewebe gegenüber gesundem Gewebe eine veränderte Morphologie aufweist. Das verstärkte Wachstum des Tumorgewebes führt zu einer dichteren, aber weniger organisierten Struktur des malignen Gewebes und zu Veränderungen der extrazellulären Matrix (EZM). Die erhöhte Dichte der extrazellulären Matrix hat eine Veränderungen der elastischen Parameter des Gewebeverbunds zur Folge. Dies dient als Ansatz zur Gewebedifferenzierung, da die Elastizität quantifizierbar ist.

Durch einen Umbau und die verstärkte Synthese der extrazellulären Matrix (EZM) verursachte Veränderung der elastischen Parameter

Optische Detektion veränderter mechanischer und struktureller Eigenschaften des Zielgewebes

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung multimodaler optischer Sensorsysteme, welche eine Identifikation tieferliegender funktionaler Gewebeverbände erlauben. Hierbei sollen bereits konzeptionell erfolgreich erprobte tiefenauflösende optische Sensorprinzipien bezüglich Miniaturisierung evaluiert und gegebenenfalls kombiniert werden, um eine detaillierte Antwort des Gewebes auf eine eingebrachte Kraft zu erfassen. Weiterhin kann die Gewebedifferenzierung über die hochaufgelöste optische Erfassung von Zell- und Gewebestrukturen als ergänzendes Tumorerkennungsmerkmal (Hypervaskularisierung und engmaschigere EZM) unterstützt werden.

Methodik und Lösungsansätze
Versuchsaufbau Digitale Holografie

Methodik und Lösungsansätze

Die Erfassung von elastischen Parametern mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) wurde im biomedizinischen Bereich bereits von vielen Forschungsgruppen demonstriert. Basis der Messungen ist dabei jeweils eine genaue Erfassung der Bewegung des Gewebes als Antwort auf eine eingebrachte Kraft. Im Projekt sollen weitere Messmethoden, wie etwa konfokale Methoden oder digitale Holographie untersucht und bewertet werden. Die elastischen Parameter sollen mit theoretischen Simulationsmodellen verglichen und verifiziert werden. Ziel des Forschungsprojekts ist es, eine sensitive multimodale miniaturisierte Sonde für den endoskopischen Einsatz zu entwickeln, welche die Erfassung der elastischen Parameter des vorliegenden Gewebes erlaubt.

Projektverantwortliche

Dieses Bild zeigt Valese Aslani
M. Sc.

Valese Aslani

Doktorandin A1

Dieses Bild zeigt Tobias Haist
Dr.

Tobias Haist

Doktorandenbetreuer A1

Dieses Bild zeigt Alois Herkommer
Prof. Dr. rer. nat.

Alois Herkommer

Teilprojektleiter A1und A2

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