Labelfreie Bildgebung von biologischen Geweben
Die Schwingungsspektroskopie ist eine Methode der optischen Analytik zur Untersuchung molekularer Strukturen und umfasst die Infrarot- und Raman-Spektroskopie. Beide Methoden sind leistungsstarke Analysewerkzeuge, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, von der Materialcharakterisierung bis zur medizinischen Diagnostik.
Unsere Forschung fokussiert auf die Anwendung der Schwingungsspektroskopie in der Onkologie zur Differenzierung und Charakterisierung von Tumorgewebe. Die Vorteile von Infrarot- und Raman-Spektroskopie liegen darin, dass sie in der Lage sind, Veränderungen in Zellen und Geweben auf molekularer Ebene zu erfassen, ohne dabei sämtliche Marker und Färbungen zu benötigen. Darüber hinaus sind sie nicht-invasiv und können daher ohne Beschädigung des Gewebes durchgeführt werden.
Die Raman-Spektroskopie hat eine wichtige Anwendung in der Neurochirurgie gefunden, um Hirntumoren von gesundem Hirngewebe zu unterscheiden. In diesem Bereich arbeiten wir eng mit der Klinik für Neurochirurgie und der AG Uckermann zusammen. Das Ziel unserer gemeinsamen Forschung ist die Entwicklung neuer Verfahren, damit der Neurochirurg während der Operation die Position des Tumors genauer bestimmen kann, um das gesamte betroffene Gewebe zu entfernen und gleichzeitig das gesunde Hirngewebe so weit wie möglich zu schonen.
Im Rahmen der Zusammenarbeit mit der Neurochirurgie haben wir außerdem ein kombiniertes System für die konfokale Raman- und Brillouin-Spektroskopie entwickelt. Die Brillouin-Mikroskopie ist eine optische Technik, die die Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von Materialien auf mikroskopischer Ebene ermöglicht. Wir verwenden sie zur Untersuchung der Biomechanik von Krebs durch die nicht-invasive Analyse der viskoelastischen Eigenschaften von Zellen und der extrazellulären Matrix. Darüber hinaus bietet die Kombination von Brillouin- und Raman-Spektroskopie die einzigartige Möglichkeit, die biomechanischen und biochemischen Eigenschaften miteinander zu korrelieren, um neue Erkenntnisse über Krebsprogression und Metastasierungsprozesse zu gewinnen.
Für einen tieferen Einblick in diese Forschungsthemen:
Galli et al. Rapid Label-Free Analysis of Brain Tumor Biopsies by Near Infrared Raman and Fluorescence Spectroscopy - A Study of 209 Patients. Front Oncol 9:1165 (2019).
Rix et. al. Correlation of biomechanics and cancer cell phenotype by combined Brillouin and Raman spectroscopy of U87-MG glioblastoma cells. J R Soc Interface 19(192):20220209 (2022).
Die Multiphotonenmikroskopie bietet innovative Möglichkeiten zur multimodalen Visualisierung anatomischer und biochemischer Gewebeinformationen. Hierbei werden starke, fokussierte Laserstrahlen eingesetzt, um nichtlineare optische Effekte zu erzeugen, die auf dem Zusammenspiel mehrerer Photonen in einem Molekül beruhen.
Die Kohärente-Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS)-Mikroskopie ist eine nichtlineare Variante der Raman-Streuung, die eine Bildgebung aufgrund des Kontrasts ermöglicht, der durch den unterschiedlichen Lipidgehalt des Gewebes erzeugt wird. Sie bietet chemische Selektivität bei subzellulärer Auflösung und hoher Aufnahmegeschwindigkeit. Darüber hinaus kann die CARS-Bildgebung im gleichen System mit anderen nichtlinearen bildgebenden Verfahren kombiniert werden.
In unserem Labor verwenden wir ein Scanning-Mikroskop in Kombination mit Pikosekunden-Faserlasern, das für unterschiedliche ex vivo oder in vivo Anwendungen geeignet ist. Der Aufbau ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme von CARS, Zweiphotonenfluoreszenz (TPEF) und Frequenzverdopplung (SHG). Durch die Überlagerung der drei Informationsebenen erhalten wir ein genaueres Bild von Zellen und Geweben.
In Zusammenarbeit mit verschiedenen Kliniken und Forschungslaboren setzen wir die multimodale CARS-Mikroskopie in der Onkologie, Kardiologie und Regenerationsforschung sowie in der biomedizinischen Grundlagenforschung ein.
Für einen tieferen Einblick in diese Forschungsthemen:
Galli et al. Identification of distinctive features in human intracranial tumors by label-free nonlinear multimodal microscopy. J Biophotonics. 12(10):e201800465 (2019)
Galli et al. Label-free multiphoton microscopy enables histopathological assessment of colorectal liver metastases and supports automated classification of neoplastic tissue. Sci Rep. 13(1):4274 (2023)
Galli et al. Label-free multiphoton microscopy reveals relevant tissue changes induced by alginate hydrogel implantation in rat spinal cord injury. Sci Rep. 8(1):10841 (2018).
Multiphotonenmikroskopie einer Probe von kolorektaler Lebermetastase. CARS (rot) wird für die Abbildung von Lipiden verwendet, TPEF (grün) für die Darstellung von zellulären Strukturen und SHG (blau) für die Visualisierung von Kollagenfasern. Durch das Zusammenführen der Informationen aus allen drei Kanälen entsteht ein umfassenderes Bild des Gewebes, welches zur Analyse der Mikromorphologie von Tumoren sowie zur präzisen Lokalisierung der Tumorgrenzen genutzt werden kann.