Eine kompakte, faseroptische Sonde gibt Einblick in die molekulare Struktur von biologischem Gewebe – schnell und ohne spezielle Färbetechniken. Die neue Fasersonde nutzt mehrere nicht-lineare Bildgebungsverfahren zur Gewebeanalyse.
Mit einem Durchmesser von nur 8 mm ist die neue faseroptische Sonde etwa so dick wie ein Kugelschreiber. Erforscht und entwickelt wurde sie von einem Wissenschaftler-Team des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Zusammenarbeit mit der ebenfalls in Jena ansässigen Grintech GmbH. Da die Sonde so klein ist, lässt sich die Technik problemlos in ein Endoskop integrieren und zur multimodalen Bildgebung im Körper eines Patienten nutzen.
Winzige Linsen
Für die geringe Größe des Sondenkopfes sorgen Gradientenindexlinsen von Grintech. Im Unterschied zu herkömmlichen sphärischen Linsen fokussieren sie das Laserlicht mittels kontinuierlicher Änderungen im Brechungsindex des Linsenmaterials. Dem Team aus Wissenschaft und Wirtschaft gelang es, Linsen mit nur 1,8 mm Durchmesser in die Fasersonde zu integrieren.
Prof. Jürgen Popp, wissenschaftlicher Direktor am Leibniz-IPHT und Leiter des Forschungsprojekts, beschreibt den besonderen technischen Aufbau der Sonde: „In der miniaturisierten Sonde nutzen wir eine Multikernfaser zur Lichtführung.“ Das sei ein spezieller Typ optischer Fasern, der aus mehreren Tausend lichtleitenden Elementen bestehe. „Dieses Faserdesign erlaubt es uns, alle beweglichen Teile sowie die Stromversorgung außerhalb des Sondenkopfes unterzubringen.“ Dadurch bleibe die Sonde kompakt und ermögliche ihre einfache und sichere Anwendung innerhalb des Körpers. „Wir hoffen“, sagt Popp, „dass in Zukunft Ärzte mit Hilfe multimodaler endoskopischer Bildgebungsmethoden schon während einer Operation schnelle Entscheidungen treffen können.”
Wertvolle Zeit sparen
Bisher entnehmen Ärzte dem Patienten kleine Gewebeproben, die ein erfahrener Pathologe anfärbt und unter dem Mikroskop auf Tumorzellen untersucht. Das Verfahren ist zeitintensiv und der Eingriff für den Patienten belastend. Mit einem kompakten Endoskop, das die neuen Bildgebungstechniken nutzt, könnten Mediziner schon während einer Operation gesundes von krankem Gewebe unterscheiden. So könnten sie wertvolle Zeit sparen und die Anzahl der chirurgischen Eingriffe verringern.
Die schonende Bildgebung basiert auf zeitlich sehr kurzen, intensiven Lichtpulsen, die von einem Laser erzeugt und durch optische Glasfasern geleitet werden. Treffen die Lichtpakete auf Gewebe, entstehen besondere optische Effekte.
Die verschiedenen Komponenten biologischen Gewebes reagieren unterschiedlich auf die Anregung mit hohen Lichtintensitäten. „Aus den gewebetypischen Antworten erhalten wir Aufschluss über dessen molekulare Zusammensetzung und Morphologie. Anschließend setzen wir die Informationen zu einem multimodalen Bild zusammen, welches Krebs oder andere krankhafte Gewebeveränderungen enthüllt“, so Popp, der auch Direktor des Instituts für Physikalische Chemie der Uni Jena ist.
In Zukunft auch für hohle Organe
Im nächsten Schritt wollen Popp und sein Team in Zusammenarbeit mit Ärzten und Pathologen das Mikroskop in einer klinischen Umgebung im Tiermodell und an Patienten erproben. Aufgrund des frontalen Aufnahmemodus könnte die Technologie momentan bei der Operation von Haut-, Hirn- und Kopf-Hals-Tumoren Einsatz finden. Um in Zukunft auch hohle Organe wie Darm und Blase sowie Blutgefäße untersuchen zu können, arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an einer Sondenversion, die ihnen einen Blick „um die Ecke” erlaubt.
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