Ent­wick­lung eines bild­ge­ben­des Faser-Endo­skops für Gewebediagnostik

 
Ob bei einer Krebs-Ope­ra­ti­on tat­säch­lich der gesam­te Tumor ent­fernt wor­den ist, lässt sich mit der­zei­ti­gen Ver­fah­ren erst nach einem Ein­griff mit Sicher­heit fest­stel­len. Ein inter­dis­zi­pli­nä­res Jena­er For­schungs­team hat nun ein neu­ar­ti­ges Faser-Endo­skop vor­ge­stellt, mit dem Tumor­rän­der künf­tig bereits wäh­rend der Ope­ra­ti­on direkt im Kör­per­in­ne­ren sicht­bar gemacht wer­den könn­ten. Die Son­de basiert auf einer eigens ent­wi­ckel­ten mul­ti­moda­len Faser und lie­fert Gewe­be­bil­der, die sowohl mor­pho­lo­gi­sche als auch bio­che­mi­sche Infor­ma­tio­nen enthalten.
Bis Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten Sicher­heit dar­über haben, ob eine Krebs-Ope­ra­ti­on erfolg­reich war, kön­nen unter Umstän­den meh­re­re Tage ver­ge­hen. Erst die nach­träg­li­che his­topa­tho­lo­gi­sche Unter­su­chung einer ent­nom­me­nen Biop­sie gibt Gewiss­heit dar­über, ob tat­säch­lich der gesam­te Tumor ent­fernt wor­den ist. Das von dem Jena­er For­schungs­team ent­wi­ckel­te Faser-Endo­skop hin­ge­gen eröff­net die Mög­lich­keit eine Dia­gno­se in Echt­zeit zu errei­chen. Die Son­de kom­bi­niert drei Bild­ge­bungs­tech­ni­ken auf ein­mal und lie­fert räum­lich hoch auf­ge­lös­te Gewe­be­bil­der aus dem Kör­per­in­ne­ren. Sie ent­hal­ten sowohl mor­pho­lo­gi­sche als auch bio­che­mi­sche Informationen.

Dia­gno­se in Echt­zeit statt nach meh­re­ren Tagen

„Das Endo­skop bie­tet das Poten­zi­al, schnell und zuver­läs­sig zwi­schen gesun­dem und kran­kem Gewe­be zu unter­schei­den — und das in vivo, also in einer mini­mal­in­va­si­ven Unter­su­chung, bei der die Son­de direkt auf das ver­däch­ti­ge Gewe­be auf­setzt“, erläu­tert Prof. Jür­gen Popp, Lei­ter des Leib­niz-Insti­tuts für Pho­to­ni­sche Tech­no­lo­gien (Leib­niz-IPHT) in Jena, unter des­sen Lei­tung die neu­ar­ti­ge Son­de erforscht wurde.

Fle­xi­ble Son­de für mini­mal­in­va­si­ve Untersuchungen

Dazu ent­wi­ckel­te das Faser­tech­no­lo­gie-Team am Leib­niz-IPHT eine spe­zi­el­le mikro­struk­tu­rier­te opti­sche Glas­fa­ser. Im Zusam­men­spiel mit einem intel­li­gen­ten und ultra­kom­pak­ten opti­schen Kon­zept der Firm­aG­RIN­TECH führt sie zu einem voll­stän­dig faser­ba­sier­ten endo­sko­pi­schen Auf­bau für die mul­ti­moda­le nicht­li­nea­re Endo­sko­pie. Sie nimmt Gewe­be­bil­der auf, wie sie der­zeit mit einem han­dels­üb­li­chen, sper­ri­gen Laser-Scan­ning-Mikro­skops gemacht wer­den und ist dabei ver­gleichs­wei­se kos­ten­güns­tig her­stell­bar. „Per­spek­ti­visch könn­te die neu­ar­ti­ge mul­ti­moda­le Bild­son­de damit neue Mög­lich­kei­ten für eine mar­kie­rungs­freie Gewe­be­dia­gnos­tik in Chir­ur­gie und Endo­sko­pie eröff­nen — etwa, um Tumor­rän­der bereits wäh­rend der Ope­ra­ti­on ein­deu­tig zu erken­nen“, blickt Jür­gen Popp voraus.

Genaue­re Erken­nung von Tumor-Rändern

Dies wür­de nicht nur dazu bei­tra­gen, die Hei­lungs­chan­cen zu ver­bes­sern, son­dern könn­te dar­über hin­aus erheb­li­che Kos­ten im Gesund­heits­sys­tem ein­spa­ren, indem es teu­re und für die Patient*innen belas­ten­de Nach­be­hand­lun­gen zu ver­mei­den hilft. Der­zeit wer­den etwa bei Tumo­ren im Kopf-Hals-Bereich nach knapp jeder 10. Ope­ra­ti­on nach­träg­lich Krebs­zel­len aufgefunden.

Erfolgs­ge­schich­te aus dem Optik-Stand­ort Jena

Die tech­no­lo­gi­sche Rea­li­sie­rung der paten­tier­ten bild­ge­ben­den Faser­son­de ist das Ergeb­nis der lang­jäh­ri­gen Zusam­men­ar­beit der Jena­er For­schen­den mit dem Mikro­op­tik-Spe­zia­lis­ten­GRIN­TECH. „Unser Know-How auf dem Gebiet endo­mi­kro­sko­pi­scher Son­den, wel­ches wir jetzt auch auf den Ein­satz minia­tu­ri­sier­ter Scan­ner mit ent­spre­chen­der Ansteue­rung und Bild­ver­ar­bei­tungs­soft­ware aus­ge­dehnt­ha­ben­so­wie die Kom­pe­tenz des Leib­niz-IPHT bei der Ent­wick­lung mikro­struk­tu­rier­ter Glas­fa­sern haben sich ide­al ergänzt“, sagt Dr. Bern­hard Mes­ser­schmidt von der Fir­ma GRINTECH, die sich Ende 1999 als Spin-off des Jena­er Fraun­ho­fer Insti­tuts für Ange­wand­te Optik und Fein­me­cha­nik gründete.

„Inso­fern ist die­se gemein­sa­me Ent­wick­lung auch eine Erfolgs­ge­schich­te des Optik- und Pho­to­nik-Stand­orts Jena — sowohl in der engen Ver­net­zung von Wis­sen­schaft und Indus­trie wie in unse­rer Zusam­men­ar­beit in hoch­ef­fi­zi­en­ten inter­dis­zi­pli­nä­ren Teams hier.“
—  Jür­gen Popp

Preis­ge­krön­tes Ver­fah­ren für die schnel­le Krebs-Diagnostik

Die gemein­sa­me Ent­wick­lung der Endo­sko­pie­son­de für die bio­me­di­zi­ni­sche Bild­ge­bung wur­de in den Jah­ren 2017 bis 2019 im Rah­men des Regio­na­len Wachs­tums­kerns „Tailo­red Opti­cal Fibers — TOF“ vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) geför­dert. Das opti­sche Schnell­ver­fah­ren für die mul­ti­moda­le Gewe­be­dia­gnos­tik mit KI-gestütz­ter Aus­wer­tung basiert auf einer Metho­de, die ein Team des Leib­niz-IPHT, der Fried­rich-Schil­ler-Uni­ver­si­tät und des Uni­ver­si­täts­kli­ni­kums Jena sowie des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Ange­wand­te Optik und Fein­me­cha­nik (IOF) ent­wi­ckelt hat. Für die­sen opti­schen Ansatz für die schnel­le Krebs-Dia­gnos­tik wur­de das inter­dis­zi­pli­nä­re Jena­er Team 2018 mit dem renom­mier­ten Kai­ser-Fried­rich-For­schungs­preis aus­ge­zeich­net. Das zugrun­de­lie­gen­de For­schungs­pro­jekt mit dem Titel „CDIS Jena — Can­cer Dia­gnos­tik Ima­ging Solu­ti­on Jena“ wur­de geför­dert von BMBF, von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) und dem Thü­rin­ger Minis­te­ri­um für Wirt­schaft, Wis­sen­schaft und Digi­ta­le Gesell­schaft (TMWWDG).