„Schmetterlingsaugen“ für die Krebschirurgie - wissenschaft.de
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„Schmetterlingsaugen“ für die Krebschirurgie

Das Vorbild der Kameratechnik bildete das Sehsystem der Morphofalter. (Illustration: Alex Jerez Roman and Jose Luis Vazquez)

Es ist das Ziel jeder Operation im Kampf gegen Krebs: Tumore sollten möglichst restlos entfernt werden, um die Heilungschancen des Patienten zu optimieren. Doch für Chirurgen ist es oft schwer, bösartiges von gesundem Gewebe zu unterscheiden. Dabei könnte sie nun bald eine von Schmetterlingsaugen inspirierte Medizintechnik unterstützen. Das innovative Kamerasystem erweitert die bisherigen Möglichkeiten, Krebsgewebe durch Fluoreszenzfarbstoffe gezielt erkennbar zu machen. Tests führten bereits zu vielversprechenden Ergebnissen.

Mit dem Schneidewerkzeug in der Hand blickt der Chirurg auf offengelegtes Brustgewebe oder andere von Krebs betroffene Körperteile… Die Frage ist: Wo versteckt sich noch Tumorgewebe, das entfernt werden muss? Selbst für erfahrene Krebschirurgen ist es schwer, alle bösartigen Stellen zu erkennen und gesundes Gewebe wie Blutgefäße oder Nerven nicht zu verletzen. In den letzten Jahren haben Medizintechniker Verfahren entwickelt, die helfen können, auch die letzten Krebsnester schonend zu beseitigen. Das Prinzip: In den vom Krebs betroffenen Bereich werden Fluoreszenz-Farbstoffe injiziert. Sie sind an Substanzen gekoppelt, die gezielt an Tumorgewebe andocken und sich dadurch im Krebsgewebe ansammeln. Wird das Areal dann mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, wird die Fluoreszenz angeregt. Dadurch entstehen Leuchteffekte, die von einem speziellen Kamerasystem erfasst und verdeutlicht werden können. Dies ermöglicht es dem Operateur, Tumorherde zu erkennen, die er mit bloßem Auge nicht sehen würde.

Bioinspirierte Medizintechnik

Das Konzept hat bisher allerdings Haken: Den Kamerasystemen fehlt vor allem die Empfindlichkeit, um die Fluoreszenz im hellen Licht bei einer Operation zu detektieren. Um die Effekte erkennen zu können, müssen die Lampen deshalb bisher vorübergehend gedimmt werden. Außerdem ist der Platzbedarf der technischen Geräte groß und sie sind teuer, was einen breiten Einsatz in der Krebsmedizin verhinderte. Diese Probleme könnte das neue Kamerasystem der Entwickler um Viktor Gruev von der University of Illinois in Urbana-Champaign nun lösen. Wie sie berichten, ermöglicht ihre bioinspirierte Kamera eine sehr empfindliche Fluoreszenzdetektion auch unter Standard-OP-Beleuchtung. Sie wiegt zudem weniger als eine AA-Batterie und kann für etwa 20 US-Dollar hergestellt werden.

„Anstatt kommerziell erhältliche Optiken und Sensoren zusammenzubauen, um eine Kamera für die bildgestützte Chirurgie zu bauen, haben wir uns bei den visuellen Systemen der Natur umgesehen“, sagt Gruev. Fündig wurden die Forscher bei einem Sehsystem von Schmetterlingen. „Die Augen der Morphofalter enthalten Nanostrukturen, die multispektrale Informationen erfassen, sodass sie gleichzeitig Nahinfrarot- und Farbinformationen erfassen können“, erklärt Gruev. „Ihre Facettenaugen enthalten Fotorezeptoren, die nebeneinander angeordnet sind, sodass jede Einheit verschiedene Wellenlängen des Lichts wahrnehmen kann“.

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Krebsgewebe leuchtet auf

Den Forschern gelang es, dieses Konzept technisch nachzuahmen. Die neue Kamera verwendet eine ähnliche Anordnung wie das Schmetterlingsauge, indem sie verschiedene nanoskalige Strukturen mit Fotodetektoren kombiniert. So können Farb- und Nahinfrarot-Fluoreszenzinformationen auf einem Bildgebungsgerät gesammelt werden. Die Aufnahmen können entweder auf einem Bildschirm erscheinen oder auf einer speziellen Brille, die der Chirurg bei der Operation trägt.

Dass ihr Konzept hält, was sie verspricht, konnten die Forscher durch Tierversuche und bei klinischen Tests an Brustkrebspatientinnen zeigen. „Unser Instrument reagierte im Licht heller OP-Lampen 1000-mal empfindlicher auf die Fluoreszenz als die derzeit für die bildgestützte Infrarotbildgebung eingesetzten Geräte“, berichtet Gruev über die Ergebnisse. „Da der bioinspirierte Imager auch Fluoreszenz tief im Gewebe erfassen kann, half er den Chirurgen, befallene Lymphknoten zu finden, die andernfalls nicht erkennbar gewesen wären“. Sein Kollege Missael Garcia ergänzt: „Ein großer Vorteil unseres Instruments ist seine kompakte Größe. Wir haben es in einem Krankenhaus getestet, in dem der Platz knapp war und dabei gezeigt, dass es den chirurgischen Arbeitsablauf nicht beeinträchtigt.“

Den Forschern zufolge eignet sich ihre Entwicklung für die Entfernung verschiedener Arten von Krebs. Aufgrund seiner geringen Größe könnte es auch in ein Endoskop integriert werden, um beispielsweise bei einer Darmspiegelung nach Krebs zu suchen. Damit der „Schmetterlingsblick“ bald Leben retten kann, wollen die Forscher die Zulassung ihres Systems nun schnell voranbringen – das Patent ist angemeldet.

Quellen: The Optical Society, University of Illinois at Urbana-Champaign, Optica doi: 10.1364/OPTICA.5.000413

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