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).