Neuer Ansatz in der Raman-Spektroskopie am MLL verbessert Genauigkeit der Krebsdiagnostik

Hubertus Hakert, Doktorand des Medizinisches Laserzentrum Lübeck GmbH, stellte auf der SPIE Photonics West seine neusten, von Celltom geförderten Arbeiten zur hochauflösenden funktionellen Bildgebung mit stimulierter Ramanstreuung vor. Die Photonics West ist die weltweit größte Fachmesse im Bereich Biomedizinische Optik und Photonik mit über 5000 Vorträgen und einer begleitenden Industrie-Messe mit mehr als 1300 Unternehmen. Der Titel des Vortrags von Hubertus Hakert lautete Label-free imaging of tumorous tissue in the Raman fingerprint region with time-encoded (TICO) stimulated Raman scattering.

Raman-Streuung ist eine bestimmte Art der Streuung (inelastische Streuung) von Licht, die ohne externe Marker Rückschlüsse über die chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Proben zulässt. Im Bereich der biomedizinischen Anwendung wird Raman-Streuung eingesetzt, um gesundes von tumorösem Gewebe zu unterscheiden.

Hubertus Hakert entwickelt am MLL einen technisch neuartigen Ansatz zur Raman-Bildgebung, mit dem viele Nachteile bisheriger Systeme überwunden werden können. Auf der Konferenz präsentierte er Messungen mit Partnern des Celltom-Konsortiums (Abbildung 1), die der Evaluierung des neu entwickelten Aufbaus zur Ramanmikroskopie dienen.

Abbildung 1: Raman-Signal eines spezifischen chemischen Markers (Amide-1) in einem tumorösen Gewebeschnitt im Hals-Nasen-Ohren-Bereich. Unterschiede zu gesundem Gewebe können Anhand dieser Marker gezielt festgestellt werden. Mit dem neu entwickelten Raman Verfahren sind sehr schnelle Aufnahmen (unter 20 Min.) möglich, so dass eine optische Diagnostik dünner Schnitte einer entnommenen Biopsie während einer Operation möglich wird.

Abbildung 2: Raman-Bild eines Gewebeschnittes einer gesunden Nasenmuschel. Dargestellt ist das Signal von Fetten (rot) sowie von Collagen und Proteinen (grün). Das dargestellt Bild mit 500 x 500 Pixeln und 64 spektralen Punkten wurde in etwa 5 Min. aufgenommen.

In der Raman-Bildgebung werden sogenannte Marker (spezielle chemische Verbindungen) in einer Probe gezielt mittels Bestrahlung durch unterschiedliche Lichtfarben angeregt und gemessen. Dies ermöglicht eine genaue Identifikation chemischer Bestandteile einer Probe. Ein besonders hohes Potenzial für die chemische Aufschlüsselung, z.B. der Struktur der abgebildeten Proteine, bietet der sog. Fingerprint-Bereich (1), in dem die wichtigsten und häufigsten Marker vorkommen. Die in diesem Bereich vorkommenden Raman-Signale sind jedoch sehr klein, was ihren Nachweis erschwert und lange Aufnahmezeiten erfordert.  Der neuartige Aufbau des MLLs zur Messung im Fingerprint-Bereich ermöglicht es, schwache Signale in relativ kurzer Zeit zu messen (Abbildung 1). Gleichzeitig werden Aufnahmen in den besser erprobten Bereichen des Raman-Spektrums mit starken Signalen ermöglicht, die z.B. Rückschlüsse auf das Fett-zu-Protein Verhältnis in der Probe und damit auf einen eventuellen tumorösen Charakter zulassen.

Abbildung 2 zeigt gesundes Gewebe einer Nasenmuschel, aufgenommen außerhalb des Fingerprint-Bereichs. Aktuell liegt die Aufnahmezeit im Bereich weniger Minuten. In naher Zukunft wird diese Messzeit durch die halb-automatisierte Auswahl der spektralen Punkte mit höchster Aussagekraft (sparse sampling) und den Einsatz neuer Laserlichtquellen deutlich verkürzt werden.

Das am MLL entwickelte Raman-System deckt alle relevanten Bereiche des Raman-Spektrums ab. Die selbstentwickelten Laserlichtquellen sind vollständig faserbasiert, wartungsarm und sollen zukünftig endoskopisch erprobt werden. Neben den technischen Neuerungen soll in Zukunft eine verbesserte KI (künstliche Intelligenz)-unterstütze Auswertung der Rohdaten für die Bilderzeugung entwickelt werden.


(1) In der Raman-Spektroskopie wird eine Probe mit polarisiertem Laserlicht angestrahlt und das Licht, welches die Moleküle in der Probe zurücksenden, wird gemessen. Die Raman-Messungen werden typischerweise als Reflexionsmessungen durchgeführt. Das Raman-Spektrum, das die Raman-Intensität als Funktion der Wellenzahl abbildet, besteht aus scharfen Linien, die die Vibrationsbewegungen der Atome der Moleküle wiedergeben. Ein Raman-Spektrum bildet daher einen Fingerabdruck (Fingerprint) der Moleküle, die gemessen werden. Quelle (aus dem Dänischen übersetzt):(http://www.sdu.dk/~/media/Files/Om_SDU/Institutter/SENSE/LABS/Ramanlab.ashx).