Elektromagnetische Sensoren treffen Biomedizin

Das Schwerpunktprogramm ESSENCE erforscht neuartige Sensorkonzepte: Sie öffnen Türen, parken Autos ein und ermitteln Füllstände – elektromagnetische Sensoren. Warum sollten sie nicht auch Moleküle, Zellen oder Tumore detektieren, untersuchen oder behandeln können? Das deutschlandweite Schwerpunktprogramm ESSENCE klärt diese Frage in zehn Teilprojekten.

Messreihe zur Entwicklung minimalinvasiver Mikrowellen-Testsonden, die sich künftig für Diagnose- und Therapiezwecke eignen könnten: (v.l.) Carolin Reimann, Prof. Rolf Jakoby, Dr. Martin Schüßler, Dr. Margarita Puentes (Foto: Katrin Binner)

Hinter den Professoren Rolf Jakoby, Christian Damm und Ulrich Göringer liegen drei anstrengende Jahre. Den drei Koordinatoren des Schwerpunktprogramms ESSENCE ist es gelungen, Dutzende von Projektpartnern zu gewinnen und die Deutsche Forschungsgemeinschaft davon zu überzeugen, in den kommenden sechs Jahren bis zu zehn Millionen Euro in die Erforschung elektromagnetischer Sensoren für die Biomedizin zu stecken.

Die Forscher betreten damit Neuland. Die beteiligten Wissenschaftler werden untersuchen, wie sich elektromagnetische Wellen im Mikro-, Millimeter- und Terahertz-Wellenbereich auf einzelne Moleküle, Zellen oder Zellverbände auswirken und welche Verwendungsmöglichkeiten sich daraus für die Lebenswissenschaften ergeben. Die Ideen reichen von der schnellen und berührungslosen Diagnostik am Krankenbett bis zur Therapie von Krebs- und Gefäßerkrankungen. Professor Rolf Jakoby leitet an der TU Darmstadt das Institut für Mikrowellentechnik und Photonik, Professor Christian Damms Schwerpunkt am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik sind Terahertz-Sensoren, Professor Ulrich Göringer gehört zum Fachbereich Biologie.

Die Idee entstand vor drei Jahren. Damals untersuchten Professor Damm, Dr. Martin Schüßler und Dr. Margarita Puentes, wie die elektromagnetischen Wellen spezieller Sensorstrukturen mit künstlichen Geweben wechselwirken. Und sie registrierten messbare Unterschiede zwischen den verschiedenen Geweben. "Wir haben uns natürlich sofort gefragt, ob ein elektromagnetischer Sensor auch Krebszellen, resistente Bakterien oder Biomoleküle zuverlässig erkennen kann", sagt Jakoby. "Das Potenzial wäre enorm." Den Elektrotechnikern war aber auch von Anfang an klar, dass dieses Potenzial nur in enger Kooperation mit Medizinern und Biologen ausgelotet werden kann. Deshalb ist das Schwerpunktprogramm grundsätzlich interdisziplinär ausgerichtet.

Was macht elektromagnetische Sensoren so interessant für die Lebenswissenschaften? Sie funktionieren ohne Drähte, berührungslos, und messen in Echtzeit. Es müssen auch keine biologischen Marker mehr verwendet werden. Die Messung beruht auf der Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld des Sensors und den zu untersuchenden Stoffen, Geweben oder Zellen. Krankes Gewebe weist zum Beispiel einen anderen Wassergehalt auf als gesundes Gewebe. Das wird von dem elektromagnetischen Sensor als Änderung des hochfrequenten Signals registriert. Jakoby und sein Team setzen auf Mikrowellen, weil deren Frequenzen zwischen 300 Megahertz und 300 Gigahertz liegen. "Wir interessieren uns für diesen Frequenzbereich, weil Wasser, Proteine und Biomoleküle ausgeprägte elektromagnetische Eigenschaften in diesem Mikrowellenbereich haben", sagt Jakoby. "Wasser hat zum Beispiel eine Absorptionslinie bei 22 Gigahertz. Deshalb müsste dieser Frequenzbereich für Sensoren besonders prädestiniert sein."

Zehn Teilprojekte

Das Schwerpunktprogramm fördert zehn Teilprojekte bundesweit. Drei davon werden maßgeblich von der TU Darmstadt mitgestaltet. Zusammen mit Prof. Dr. Thomas Vogl von der Universitätsklinik Frankfurt am Main entwickelt Jakoby einen dualen Mikrowellen-Applikator, der Tumore in der Leber erkennen und behandeln soll. Vogl ist Radiologe und Direktor des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie. Das Besondere an dem Applikator sind seine beiden Betriebsarten. Er wird eine Diagnose- und eine Therapiefunktion haben, zwischen denen hin und her geschaltet werden kann. Dazu wird eine neuartige, kleine Mikrowellen-Sonde minimalinvasiv in die Leber geschoben werden. Die Tumoren sollen zuerst mit niedriger Leistung detektiert und dann durch das Umschalten auf eine höhere Leistung erhitzt und abgetötet werden – ohne dass dafür die Position des Mikrowellen-Applikators geändert werden muss. Für Vogl ist es auch wichtig, dass das System mit dem Kernspintomographen kompatibel ist, damit der Therapieerfolg in Echtzeit überprüft werden kann.

Für diese Form der Therapie, die Thermoablation genannt wird, gibt es bereits einen Vorreiter. Allerdings arbeitet dieser mit Radiowellen, nicht mit Mikrowellen. Es erhitzt die Tumoren mit weitaus höherer Leistung und ist auch nicht in der Lage, sie zu identifizieren. Das Mikrowellensystem, an dem Vogl und Jakoby arbeiten, hätte wegen der beiden Betriebsarten und der Kompatibilität mit dem Kernspintomographen einen deutlichen Mehrwert für die Patienten. In den kommenden drei Jahren sollen umfassende Tests mit verschiedenen Mikrowellen-Sonden an Phantomen, gesundem und krankem Gewebe gemacht werden und optimale Frequenzbereiche für die Unterscheidung der Zellen identifiziert werden. Diese Untersuchungen wird Carolin Reimann durchführen. "Wir werden zuerst eine Referenzdatenbank anlegen, damit wir sicher sind, dass wir die feinen Unterschiede auch tatsächlich messen können", erklärt Reimann. "Wir hoffen, dass wir bis zum Ende der Förderung einen funktionsfähigen und zuverlässigen Prototyp haben werden. Im Moment stehen wir noch am Anfang."

Analyse von Erregern in Biofilmen

Dr. Martin Schüßler betreut ein weiteres Teilprojekt, an dem Prof. Dr. Thomas Schwartz und Dr. Bastian Rapp vom Karlsruhe Institute of Technology beteiligt sind. Die Projektpartner wollen mit einer noch zu entwickelnden Hochfrequenzmesstechnik und Mikrofluidik Erreger in Biofilmen analysieren. Diese entstehen beispielsweise auf Implantaten und Kathetern. Die Projektpartner werden zunächst Inventur in den Biofilmen machen und die Bakterien über ihr Genom identifizieren. Im nächsten Schritt soll überprüft werden, ob sich die Genomdaten mit den Hochfrequenzdaten korrelieren lassen. "Wir hoffen, dass wir die Biofilme mit der Hochfrequenzmesstechnik scannen und so ihre Zusammensetzung bestimmen können", sagt Schüßler. "Vielleicht lassen sich die Keime dann auch mit der Hochfrequenztechnik unschädlich machen, denn jedes Objekt, das Wasser enthält, kann mit Mikrowellen erhitzt werden."

In einem weiteren Teilprojekt werden Damm und Göringer zusammen mit Professor Heinrich Kurz von der AMO mbH in Aachen einen neuartigen Sensor zur Detektion von afrikanischen Trypanosomen entwickeln. Diese Parasiten lösen die Schlafkrankheit aus, die unbehandelt zum Tode führt. Deshalb ist eine frühe Detektion der Parasiten im Blut essenziell. Bisher gibt es kein Verfahren, das unter den schwierigen Bedingungen vor Ort und ohne Labordiagnostik funktioniert. Diese Lücke wollen die Wissenschaftler mit einem elektromagnetischen Sensor im Terahertz-Frequenzbereich schließen. Von dem Schwerpunktprogramm wird man einiges erwarten können.

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