15.02.2023

Mit Quantenoptik Tumore aufspüren

Projekt untersucht Möglichkeiten der Quantenbildgebung bei der Krebsdiagnostik.

Quantenbildgebung ermöglicht Einblicke in bisher unsichtbare Bereiche. Ob davon auch die Tumor­diagnostik profitieren kann, untersucht nun die TU Darmstadt, die in der Quanten­optik eine besondere Expertise aufweist, gemeinsam mit acht Partnern. Das Forschungs­projekt Quancer hat ein Budget von 6,7 Millionen Euro und wird mit 5,6 Millionen Euro im Rahmen­programm „Quanten­technologien – von den Grundlagen zum Markt“ vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

 

Abb.: Experimenteller Aufbau eines nichtlinearen Interferometers für die...
Abb.: Experimenteller Aufbau eines nichtlinearen Interferometers für die Quantenbildgebung mit nichtdetektiertem Licht. (Bild: W. Oppel, TU Darmstadt)

Bei der Diagnose von Krebs kommen verschiedene Bild­gebungs­verfahren zum Einsatz. Ziel ist, Tumorgewebe aufzuspüren und sichtbar zu machen. Wenn Ärzte verdächtiges Gewebe entdecken, entnehmen sie davon eine Probe und untersuchen diese weiter: Gold­standard der Diagnostik sind Kontrast­verfahren, die bestimmte Moleküle färben, und Licht­mikroskopie, um deren Verteilung darzustellen.

Zunehmend werden dabei Digitalmikroskope eingesetzt, die automatisierte Verfahren und damit schnellere Abläufe ermöglichen. Infrarot-basierte Bildgebungs­verfahren wie die Infrarot-Mikroskopie knüpfen bei der digitalen Pathologie an und liefern weitere Informationen. Dazu wird infrarotes Licht genutzt, um Moleküle anzuregen. Anhand der Schwingungen der Moleküle lässt sich auf deren Art schließen. Gewebe wird also sichtbar gemacht, ohne dass zusätzliche Kontrastmittel erforderlich sind. Diese Methode stößt jedoch an Grenzen bei der Detektion, da Infrarot­detektoren limitiert in Effizienz und Signal-zu-Rausch-Verhältnis sind.

Mit Hilfe der Quantenbildgebung kann dieses Problem umgangen werden. Dazu werden zwei miteinander korrelierte Lichtstrahlen in einer bestimmten Anordnung genutzt. Vereinfacht lässt sich sagen, dass ein Lichtstrahl dabei Photonen zur Gewebeprobe sendet. Der andere Lichtstrahl sendet Photonen zu einer Kamera. Aufgrund der Quanten­korrelation beider Photonen wird ein Bild der Gewebeprobe erzeugt, obwohl das Licht, das die Kamera erreicht, diese nie „gesehen“ hat – das ist „spukhafte“ Quantenbildgebung.

Die Quantenbild­gebung wird nun erstmalig mit einem professionellem Mikroskopie­system verbunden und soll im Rahmen des Projekts im klinischen Umfeld getestet werden. „An der TU Darmstadt kümmern wir uns um die meisten der experimentellen Arbeiten mit Grundlagen­charakter“, erklärt Markus Gräfe vom Institut für Angewandte Physik (IAP). „Wir bauen also erste Laborexperimente, die zeigen, dass alles so funktioniert wie gewünscht und mit denen wir bestimmte Quanten­bild­gebungs­modi untersuchen und optimieren. Unsere Aufbauten werden dann vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in kompakte Formen überführt und mit dem entwickelten Mikroskop von unserem Industrie­partner Rapp OptoElectronic kombiniert. Dann wird das System am Uniklinikum Jena zur Anwendung kommen. Perspektivisch soll so ein neues Werkzeug der Krebs­diagnostik eingeführt werden.“

TU Darmstadt / DE

 

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