A2 – Gewebedifferenzierung mittels IR-Spektroskopie

Forschungsschwerpunkt A: Sensorentwicklung

Bei der Proliferation von Tumorzellen verändern sich die Verhältnisse der Gewebebestandteile, was auch zu einer Änderung der optischen Eigenschaften führt. Da tumoröses Gewebe andere Absorptionskoeffizienten und somit auch andere IR-Spektren aufweist als gesundes Gewebe, ist es möglich diese zuverlässig voneinander zu unterscheiden. Die spektroskopische Untersuchung von organischem Material wurde bisher üblicherweise mit FTIR-Spektrometern durchgeführt, die aber inzwischen durch moderne IR-Spektrometer ersetzt werden, die auf dem Prinzip der abgeschwächten Totalreflexion beruhen.

Effizientere spektroskopische Messungen durch in-situ Anwendungen

Eine erfolgreiche Tumorresektion wird durch ihre Vollständigkeit definiert. Bei heutigen Operationen wird dabei häufig die sogenannte Schnellschnittdiagnostik angewendet, bei der das Biopsat nach der Entnahme schockgefrostet, in dünne Scheiben geschnitten und mit Hämatoxylin-Eosin (HE) eingefärbt wird. Anschließend werden die Ränder des Tumors mikroskopisch begutachtet, wobei auch spektroskopische Untersuchungen möglich sind (z.B. hyperspektrale Bildgebung über FTIR-Spektrometer). Der komplette Untersuchungsprozess kann hierbei bis zu 30 Minuten in Anspruch nehmen und die Färberesultate sind im Vergleich zu histopathologischen Untersuchungen, bei denen die Proben zusätzlich in Formalin eingebettet werden, schlechter und weniger eindeutig zu bewerten. Deshalb wird in diesem Graduiertenkolleg ein multimodaler Ansatz verfolgt, bei dem mehrere Sensorprinzipien entwickelt und evaluiert werden, die eine Untersuchung in-situ, also direkt im Körper des Patienten und bereits direkt während der Operation ermöglichen sollen. Der multimodale Ansatz soll zudem die Zuverlässigkeit durch eine gegenseitige Absicherung der Sensoren gewährleisten.

Hauptprobleme beim Schnellschnittverfahren:

  • Untersuchungsdauer von ca. 30 Minuten
  • schlechte Färberesultate

Der Ansatz in diesem Teilprojekt befasst sich mit der Infrarot (IR)-Spektroskopie, welche neben der Ramanspektroskopie (Teilprojekt A3) die geeignetste Spektroskopiemethode in der organischen Chemie darstellt. In beiden Fällen werden die Moleküle durch die Bestrahlung mit Licht zum Schwingen angeregt. Die jeweiligen Schwingungsfrequenzen können dann den aufgenommenen Spektren entnommen werden. Im Gegensatz zur Ramanspektroskopie wird bei der IR-Spektroskopie i.d.R. polychromatisches Licht im Wellenzahlenbereich von 4000-400 cm-1 genutzt.

Mikrotomschnitt eines Blasenkarzinom-Organoiden unter einem IR-Mikroskop. Die roten Quadrate markieren die Positionen und Integrationsbereiche zur IR-Spektroskopie.

Quantenkaskadenlaser als alternative Lichtquelle

Messungen mit konventionellen FTIR-Spektrometern nutzen mit Globars als Lichtquellen das komplette mittlere Infrarotspektrum aus. Vorherige Arbeiten haben allerdings gezeigt, dass ein stark begrenztes Spektrum zur Unterscheidung von malignem und benignem Gewebe ausreichen kann. Deshalb sollen nur einige wenige schmalbandige Quantenkaskadenlaser in einem Sensor vereint und genutzt werden.

Dies bringt einige Vorteile mit sich:

  • besseres Signal-Rausch-Verhältnis
  • kürzere Aufnahmedauer
  • Minimierung der Störeffekte durch unerwünschte Schwingungen
In Reflexion gemessene IR-Spektren des oben untersuchten Blasenkarzinom-Organoiden.

Die erste Zielsetzung in diesem Teilprojekt liegt darin, dass geeignete Wellenlängen zur bestmöglichen Unterscheidung des Gewebes gefunden werden müssen. Dabei werden die folgenden unterschiedliche Ansätze verfolgt:

  1. Analyse von IR-Spektren aus der Literatur, von Simulationen und Experimenten
  2. Datenanalysen mit multivariaten statistischen Methoden (z.B. Principle Component Analyse)
  3. Einsatz neuronaler Netze

Integration des Sensors in ein Endoskop

Eine weitere Herausforderung liegt darin, einen Sensor zu entwickeln, der in ein Endoskop integriert werden kann. Zudem soll die Messung in-situ geschehen, was eine Untersuchungsmethode basierend auf der Absorption oder Streuung des Gewebes bedingt. Eine hierfür hervorragend geeignete Variante ist die ATR-Spektroskopie, bei der das totalreflektierte Licht Aufschluss auf die Absorption des Gewebes und somit auf die Zusammensetzung gibt. Ein solcher Sensor besteht prinzipiell aus einer Lichtquelle, einem Detektor und einem Kristall aus einem optisch dichteren Medium als das Gewebe.

Bearbeiter

Dieses Bild zeigt Felix Fischer

Felix Fischer

M.Sc.

Doktorand A2

Dieses Bild zeigt Alois Herkommer

Alois Herkommer

Prof. Dr. rer. nat.

Teilprojektleiter A1und A2

Dieses Bild zeigt Karsten Frenner

Karsten Frenner

Dr.

Doktorandenbetreuer A2

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