Photonik

Bringt Licht in die Life Sciences

Auf der Weltleitmesse Laser World of Photonics (26.–29. Juni 2017 in München) werden Aussteller, Application Panels und Fachtagungen aufzeigen, wie eng Fortschritte in der Medizin mit photonischen Verfahren verknüpft sind. Wenn Forscher heute auf Entdeckungsreisen gehen, lassen sie sich gern von Photonen in Miniaturwelten tragen. Beim Blick in lebende Zellen, in neuronale Gehirnprozesse oder krankhaft veränderte Gewebe ist die Photonik allgegenwärtig.

Individualisierte 3D-gedruckte Zahnimplantate, die mit dem Laser Cusing Prozess von Concept Laser Schicht für Schicht aus Metallpulver aufgebaut wurden. (Bild: Concept Laser GmbH)

Anwendungsorientierte Application Panels in der Messehalle B2 und die messebegleitende European Conference on Biomedical Optics (ECBO 2017) greifen aktuelle photonische Trends in Medizin und Forschung auf: Dazu gehört das Deep Tissue Imaging. Optical Coherence Tomography (OCT) erlaubt es Medizinern, per Infrarotlaser in Echtzeit einige Millimeter tief in Gewebe zu blicken. Die optischen Systeme liefern mikroskopisch aufgelöste 3D-Scans, ohne Patienten mit schädlicher Strahlung zu belasten.

Winzige zelluläre Implantate sollen künftig direkten Kontakt zum Nervensystem haben. Mögliche Anwendungen: Therapie von Nervenverletzungen oder auch Augenimplantate. (Bild: Fraunhofer)

Laser steuern Hirnfunktionen
Daneben wird die Laser 2017 ein vielversprechendes, junges Forschungsfeld beleuchten: die Optogenetik. Diese bringt per Laser Licht in neuronale Prozesse. Forscher schleusen dafür spezielle, mit Licht schaltbare Proteine in Hirnareale ein. Über die Proteine können sie per Laser den Ionenfluss im neuronalen Netzwerk gezielt steuern. Die Forschung schreitet rasant voran. Immer besser gelingt es, Hirnfunktionen und kognitive Prozesse zu steuern, um diese systematisch zu erforschen.

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Auch die Aktivitäten einzelner Neuronen können beobachtet werden. Femtosekunden-Laser sind im Einsatz, weil sie Lichtmanipulation auch in tiefen Hirnarealen erlauben. Per Mehrphotonen-Anregung liefern sie zugleich 3D-Live-Übertragungen aus dem arbeitenden Gehirn.

Heutige zeitlich und räumlich hochauflösende Mikroskopieverfahren wie gSTED (gated Stimulated Emission Depletion) – im Bild PicoQuants MicroTime 200 – erlauben es Forschern, Stoffwechselprozesse in lebenden Zellen zu verfolgen. (Bild: PicoQuant)

Optische Verfahren helfen bei der Diagnose
Die Auflösung von Mikroskopen und bildgebenden Verfahren schreitet mit den Leistungsfortschritten von Computerprozessoren, Software und Lichtquellen voran. Dank der vertieften Einblicke weiß die medizinische Forschung immer mehr über die Ursprünge und die Bekämpfung von Krankheiten.

Auch in der Entwicklung neuer Arzneien lassen optische Verfahren schneller Aussagen darüber zu, ob diese wirken oder nicht. Die optischen Verfahren ermöglichen auch raschere Diagnosen – etwa um im Kampf gegen multiresistente Keime rettende Zeit zu gewinnen. Mittelfristig wird photonische Diagnostik den Weg zur personalisierten Medizin mit individuell auf die Patienten zugeschnittenen Therapien ebnen.

PicoQuant verfolgt den innovativen RapidFLIM-Ansatz - also das schnelle Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM). Dank Wiederholraten von mehreren FPS (Frames per Second) können Forscher damit dynamische Prozesse in lebenden Zellen verfolgen. (Bild: PicoQuant)

Biochips, verträgliche Implantate und schonende Eingriffe
Optische Verfahren nehmen heute in der Entwicklung und Fertigung miniaturisierter Biochips ebenso eine Schlüsselrolle ein, wie in der Fertigung perfekt angepasster 3D-gescannter und 3D-gedruckte Implantate. Und sie verschaffen Ärzten durch präzise bildgebende Diagnoseverfahren und miniaturisierte Endoskope schonende Einblicke in Körper von Patienten. Die Entwicklung schreitet rasch voran. Etwa in der Multiphotonen-Tomographie, die mithilfe von Femtosekunden-Lasern dreidimensionale Einblicke in Haut- und Augengewebe erlaubt.

Der Laser-Aussteller JenLab GmbH treibt hierzu ein Forschungsprojekt voran, um das Verfahren für sekundenschnelle Diagnosen von Hautkrebs oder gefährlichen Hornhautdegenerationen nutzbar zu machen.

Primäre neuronale Zellen in Kultur. Dekonvolvierte Z-Stapel-Projektion mit GPU-basierter Dekonvolution. Antikörper-Färbung von Klasse III beta-Tubulin (Cy2), Nestin (Cy3) und DCX (Cy5). Kerne mit DAPI-Färbung. Probe bereitgestellt von H. Braun, LSM Bioanalytik GmbH, Magdeburg, Germany. (Bild: Zeiss)

Stellen Ärzte in der optischen Diagnostik fest, dass chirurgische Eingriffe nötig sind, geht es mit optischen Verfahren weiter. Beispiele dafür sind OP-Assistenzsysteme, Augmented oder Virtual Reality sowie Laser als Ersatz für handgeführte Skalpelle. Gerade Augenärzte vermessen und operieren Augen per Laser. Außerdem wird das gebündelte Licht zur Bearbeitung mikrometergenauer Hornhauttransplantate genutzt.

Mehr über die Anwendungen aus Biophotonik und Medizintechnik erfahren Sie von 26.–29. Juni auf der Laser World of Photonics 2017 in München. Weitere Infos auch unter http://www.world-of-photonics.com/

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