Mit Quantenoptik Tumoren auf der Spur

Experimenteller Aufbau eines nichtlinearen Interferometers für „spukhafte" Quantenbildgebung mit nichtdetektiertem Licht.
Bild: Walter Oppel

TU-Forschungsteam arbeitet an neuem Werkzeug für die Krebsdiagnostik.

Quantenbildgebung ermöglicht Einblicke in bisher unsichtbare Bereiche. Ob davon auch die Tumordiagnostik profitieren kann? Diese Frage 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.

Bei der Diagnose von Krebs kommen verschiedene Bildgebungsverfahren zum Einsatz. Ziel ist, Tumorgewebe aufzuspüren und sichtbar zu machen. Wenn Ärztinnen oder 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 etwa 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 nun 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-Rauschverhältnis 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, also Lichtteilchen, 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 Professor 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.“

Hintergrund: Projekt Quancer
Neben der TU Darmstadt nehmen acht weitere Partner aus der Forschung und der Industrie am Projekt Quancer („Quantenmikroskopie mit nicht-detektiertem Licht zur chemisch-selektiven Bildgebung von Tumorgewebe im klinischen Umfeld“) teil. Dazu zählen: Rapp OptoElectronic GmbH (ROE), Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V., TOPTICA Photonics AG, Institut für Angewandte Physik (Friedrich-Schiller-Universität Jena), Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), Institut für Laserphysik (Universität Hamburg), Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde (Universitätsklinikum Jena), n-Hands GmbH & Co. KG. Das Projekt hat ein Budget von 6,7 Millionen Euro und ist für fünf Jahre ausgelegt.

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MI-Nr. 7/2023, cst

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Professor Markus Gräfe
Fachbereich Physik
Institut für Angewandte Physik (IAP)
E-Mail: markus.graefe@tu-darmstadt.de

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