Licht für die Lebenswissenschaften

Gemeinschaftsstand präsentiert Ergebnisse aus der Photonikforschung auf der LASER World of PHOTONICS 2017.

Vor Ort Diagnostik von Herz-Kreislauf Parametern mittels Smartphone. Quelle: © Fotolia, Foto: Denys Prykhodov

23.06.17

VDI Technologiezentrum GmbH

In der Medizin, Umweltanalytik, Biotechnologie oder Lebensmittelkontrolle sind photonische Messverfahren längst Standard. Das Problem: Viele der Geräte sind zu groß und zu schwer, um mobil eingesetzt werden zu können. Das Bundesforschungsministerium hat deshalb eine Initiative gestartet, um Projekte zu fördern, die nach Lösungen für dieses Problem suchen. Die Ergebnisse können sich sehen lassen – erstmals ausgestellt auf dem Gemeinschaftsstand „Photonik in den Lebenswissenschaften“ auf der LASER World of PHOTONICS in München in Halle B2, Stand 351.

Neue Geräte und Verfahren, die auf Licht basieren und die Krankheiten schneller als bisher diagnostizieren, kleinste Details in lebenden Organismen abbilden oder Verunreinigungen in Biogas aufspüren – das sind die Ergebnisse der Projekte „DermaSpec“, „InterSept“, „TOMOSphere“ und  „Photobiosense“. In den Verbundprojekten arbeiten Partner aus Forschung und Industrie seit ein bis zwei Jahren an anwendungsorientierten, biophotonischen Lösungen – mit vielversprechenden Ergebnissen.

DermaSpec – mobile Hautdiagnostik überall und jederzeit

Ergebnis des Projekts DermaSpec ist ein Photometer für die mobile Hautdiagnostik. Mit der heutigen höheren Lebenserwartung hat auch das Thema Hautkrebs an Bedeutung gewonnen. Betroffen sind oftmals ältere Leute, die selbst nicht mehr mobil genug sind, um zum Arzt zu gehen oder in ein Krankenhaus zu fahren. Mit DermaSpec kommt das Diagnosegerät nach Hause, die Ergebnisse sind schnell da, die Behandlung kann umgehend beginnen.

Das erforschte System analysiert den Zustand der Haut mit einem Spektral- und einem Speckle-Sensor, die entweder in ein spezielles, mobiles Handgerät eingebaut oder als Zusatz an das Smartphone angebracht werden. Das Gerät kann aber nicht nur Hautkrebs erkennen, es analysiert allgemein die Haut auf Veränderungen und Schäden, die man mit entsprechenden Mitteln behandeln kann. Die Analyse kann beliebig oft an jedem Ort wiederholt, die Wirksamkeit der eingesetzten Salben oder Hautpflegemittel von jedem selbst überprüft werden.

InterSept – Sepsis schneller erkennen und behandeln

Bei einer Sepsis kann der Faktor Zeit über Leben und Tod entscheiden. Sie ist weltweit eine der häufigsten Infektionserkrankungen mit einer Sterblichkeit zwischen 30 und 60 %. Heutzutage dauert es bis zu zwei Tage, bis klar ist, ob es sich um eine Sepsis handelt und bis mit der Antibiose begonnen wird.

Die Wissenschaftler im Projekt InterSept haben nun ein mobiles Messgerät entwickelt, das mehrere Biomarker gleichzeitig bestimmt, die Aufschluss darüber geben, ob es sich bei der Erkrankung um eine Sepsis handelt. Zusätzlich kombiniert ein Algorithmus die Ergebnisse, um das Stadium der Sepsis zu analysieren und den Krankheitsverlauf zu prognostizieren.. Ein weiteres Forschungsziel ist es, die konkreten Krankheitserreger zu identifizieren, um rechtzeitig die Therapie mit einem geeigneten Antibiotikum beginnen zu können.

TOMOsphere – Lichtschichtmikroskop ermöglicht Untersuchung an lebenden Zellen

Bisherige Mikroskope arbeiten zumeist im Zweidimensionalen. Die untersuchten Zellen sterben dabei oftmals ab oder verändern sich noch nach der Analyse. Im Projekt TOMOshpere haben die Forscher ein Lichtschichtmikroskop entwickelt, das die Untersuchung von lebenden Organismen erlaubt, ohne sie dabei zu schädigen. Hierbei sind durch den tomografischen Ansatz dreidimensionale Abbildungen möglich: Das Mikroskop erstellt ein Projektionsbild aus dem Streu-, Transmissions- und Fluoreszenzlicht in jeder Rasterposition. Während die Probe gedreht wird, werden die Projektionen aufgenommen und ein 3D-Datensatz generiert. Das ermöglicht es quasi, in die unterschiedlichen Schichten der Probe hineinzuschauen, ohne sie zu zerschneiden.

Mit Hilfe des Systems ist es möglich, Gruppen lebender Zellen, sogenannte Zellsphäroide, in 3D-Zellkulturen zu untersuchen und ihre Entwicklung auch über längere Zeiträume zu beobachten. Vor allem humane induzierte pluripotente Stammzellen sind in der regenerativen Medizin als Zellquelle von großem Interesse . Darüber hinaus bieten sie bisher nicht verfügbares, patienten- und krankheits-spezifisches Zellmaterial zur Entwicklung innovativer, pharmakologischer Testverfahren.

Photobiosense – photoakustische Spektroskopie spürt Verunreinigungen in Biogas auf

Biogas gilt als vielversprechende alternative Energiequelle. Es enthält allerdings neben Methan und Kohlendioxid u.a. auch Ammoniak und Schwefelwasserstoff – Stoffe, die das Biogas verunreinigen und bei zu hoher Konzentration herausgefiltert werden müssen. Sie lassen sich mit neuartiger Infrarotlasertechnik aufspüren.

Im Projekt Photobiosense haben die Wissenschaftler eine photoakustische Messmethode mit einer speziell abgestimmten Laserquelle kombiniert. Sie ermöglicht die kontinuierliche Konzentrationsbestimmung der Biogasbestandteile und damit eine effiziente Überwachung der Produktionsprozesse. Das Ergebnis: eine vereinfachte Wartung der Biogasanlage und neue Erkenntnisse über den Fermentierungsprozess. Das verspricht eine effizientere Nutzung von Biogasanlagen und macht damit die Biogaserzeugung attraktiver.

Diskussionspanel „Visions for Future Diagnostics – Bildgebende Methoden“

Als Teil des Rahmenprogramms der Messe behandeln die Application Panels aktuelle Trends rund um das Thema Photonik. Von Montag bis Mittwoch geht es dabei auch um „Biophotonics and Medical Applications“. Das Panel „Visions for Future Diagnostics – Bildgebende Methoden“ beispielsweise widmet sich am Dienstag, 27. Juni, von 10 bis 12.20 Uhr dem anwendungsorientierten Einsatz biophotonischer Technologien. Die Diskussion leiten Prof. Jürgen Popp, wissenschaftlicher Direktor des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (IPHT) sowie Direktor des Instituts für Physikalische Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena, und Dr. Wilhelm Kaenders, Präsident der TOPTICA Photonics AG.

Referenten aus Wissenschaft und Wirtschaft zeigen, wie die Barrieren zwischen biomedizinischen Anwendern und Technologie- und Methodenentwicklern im Bereich der medizinischen Bildgebung überwunden werden können – in Halle B2, Stand 560, auf der LASER World of PHOTONICS.

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