Das Phänomen der Fluoreszenz kennen wir am ehesten aus dem Supermarkt: Wenn die Kassiererin sicher gehen will, dass man ihr kein Falschgeld in die Hand gedrückt hat, hält sie die Banknoten kurz unter eine UV-Lampe. Im Papier echter Geldscheine leuchten daraufhin einzelne Fasern farbig auf. Spezielle Substanzen in diesen Fasern absorbieren für das Auge unsichtbares UV-Licht und geben die Energie anschließend in Form sichtbarer Photonen, also Lichtteilchen, wieder ab.
Dieses Prinzip wollen Forscher nun nutzen, um den gefährlichen Schwarzen Hautkrebs möglichst früh zu erkennen. Auf künstliche Substanzen können sie dabei verzichten, erklärt Dr. Matthias Scholz, Geschäftsführer der LTB Lasertechnik Berlin GmbH:
"Wenn man die Haut mit UV-Licht bestrahlt, dann man bekommt man eine Autofluoreszenz der Haut - viele Fluoreszenzen zusammengefasst von den Substanzen, die sich in der Haut befinden. Das sind NADH, Flavine, Collagene und dergleichen mehr. Aber man kann mit UV-Licht die Haut bestrahlen und bekommt Fluoreszenz."
Die Forscher haben es aber nur auf eine ganz bestimmte Fluoreszenz abgesehen: die des Melanins in der Haut. Dieses rötliche, braune oder schwarze Farbpigment bildet der Körper unter anderem, um sich vor der UV-Strahlung der Sonne zu schützen. Was das Melanin für die Früherkennung von Hautkrebs so interessant macht, ist die Tatsache, dass das Molekül in den Zellen des Malignen Melanoms in einer veränderten Form vorkommt. Und diese Form wollen die Berliner Wissenschaftler anhand der Fluoreszenz erkennen. Allerdings haben die Forscher dabei mit einer Schwierigkeit zu kämpfen, wie Dieter Leupold erläutert, wissenschaftlicher Mitarbeiter der LTB Lasertechnik Berlin:
"Das liegt daran, dass also das Melanin nur eins von 10.000 absorbierten Photonen umsetzt in Licht. Während alle anderen, die haben so Ausbeuten, dass sie also von zehn absorbierten Photonen schon eins in Licht umsetzen. Und damit ist also das Licht der anderen fluoreszierenden Substanzen viel, viel intensiver als das von Melanin. Deswegen hat man das bisher nicht entdecken können."
Mit einem physikalischen Trick ist es Leupold und seinen Kollegen aber gelungen, gezielt nur das Leuchten des Melanins anzuregen. Die Forscher nutzen dafür eine Zwei-Photonen-Methode. Statt mit energiereichem UV-Licht arbeiten sie mit kurzen Lichtpulsen aus einem Infrarot-Laser. Dessen Photonen sind wesentlich energieärmer als ultraviolette. Die Moleküle in der Haut beginnen deshalb nur dann zu fluoreszieren, wenn sie zwei dieser Photonen aufnehmen. Melanin weist dabei aber eine Besonderheit auf: Es kann die Photonen in zwei Schritten absorbieren. Leupold:
"Also wenn man sich vorstellt in einem Haus. Es kommt aus der untersten Etage durch das erste Photon in eine erste Etage und durch das zweite Photon in eine höhere Etage. Und von da aus kann es dann fluoreszieren. Und wenn man jetzt die Photonendichte so weit herunterdrückt, dass das Melanin in der ersten Etage wartet, bis das Photon kommt, dann hat das den Vorteil gegenüber den anderen, die diese erste Etage nicht haben."
Auf diese Weise wird bevorzugt Melanin zum Leuchten angeregt. Dieser Effekt lässt sich sogar noch weiter steigern, wenn man die Dauer der Laserblitze verändert. Die Berliner Forscher können nun gezielt die Fluoreszenz des Hautpigments untersuchen. Sie haben also zum Beispiel Tumorgewebe mit Laserpulsen beleuchtet und mit Proben verglichen, die aus gutartigen Pigmentflecken stammten. Im Spektrum des Lichts, das das Melanin in beiden Fällen abgibt, sind deutliche Unterschiede zu erkennen, erklärt Leupold:
"Also, wir haben für das gesunde Gewebe eine Melanin-Fluoreszenz, die sieht so blau-grün aus. Und für das bösartige Gewebe haben wir eine Fluoreszenz, die liegt im roten Spektralbereich. Wir haben also eine ganz deutliche Verschiebung um 100 Nanometer mindestens. So dass wir mit der roten Fluoreszenz einen richtigen Fingerabdruck des Malignen Melanoms, des Schwarzen Hautkrebses in dieser roten Fluoreszenz dann sehen können."
Mit diesem spektralen Fingerabdruck verrät sich der bösartige Hauttumor schon in einem so frühen Stadium, dass er sich meist ohne Probleme entfernen lassen dürfte - jedenfalls lange bevor Metastasen entstehen können. Und sollte es sich um eine gutartige Hautveränderung handeln, so erfahren Arzt und Patient das Untersuchungsergebnis unmittelbar. Ohne, dass dafür erst eine Gewebeprobe im Labor analysiert werden muss. Erste Prototypen des Geräts werden bereits klinisch getestet. Bis es in Serie gehen kann, werden aber mindestens noch zwei Jahre vergehen.
Dieses Prinzip wollen Forscher nun nutzen, um den gefährlichen Schwarzen Hautkrebs möglichst früh zu erkennen. Auf künstliche Substanzen können sie dabei verzichten, erklärt Dr. Matthias Scholz, Geschäftsführer der LTB Lasertechnik Berlin GmbH:
"Wenn man die Haut mit UV-Licht bestrahlt, dann man bekommt man eine Autofluoreszenz der Haut - viele Fluoreszenzen zusammengefasst von den Substanzen, die sich in der Haut befinden. Das sind NADH, Flavine, Collagene und dergleichen mehr. Aber man kann mit UV-Licht die Haut bestrahlen und bekommt Fluoreszenz."
Die Forscher haben es aber nur auf eine ganz bestimmte Fluoreszenz abgesehen: die des Melanins in der Haut. Dieses rötliche, braune oder schwarze Farbpigment bildet der Körper unter anderem, um sich vor der UV-Strahlung der Sonne zu schützen. Was das Melanin für die Früherkennung von Hautkrebs so interessant macht, ist die Tatsache, dass das Molekül in den Zellen des Malignen Melanoms in einer veränderten Form vorkommt. Und diese Form wollen die Berliner Wissenschaftler anhand der Fluoreszenz erkennen. Allerdings haben die Forscher dabei mit einer Schwierigkeit zu kämpfen, wie Dieter Leupold erläutert, wissenschaftlicher Mitarbeiter der LTB Lasertechnik Berlin:
"Das liegt daran, dass also das Melanin nur eins von 10.000 absorbierten Photonen umsetzt in Licht. Während alle anderen, die haben so Ausbeuten, dass sie also von zehn absorbierten Photonen schon eins in Licht umsetzen. Und damit ist also das Licht der anderen fluoreszierenden Substanzen viel, viel intensiver als das von Melanin. Deswegen hat man das bisher nicht entdecken können."
Mit einem physikalischen Trick ist es Leupold und seinen Kollegen aber gelungen, gezielt nur das Leuchten des Melanins anzuregen. Die Forscher nutzen dafür eine Zwei-Photonen-Methode. Statt mit energiereichem UV-Licht arbeiten sie mit kurzen Lichtpulsen aus einem Infrarot-Laser. Dessen Photonen sind wesentlich energieärmer als ultraviolette. Die Moleküle in der Haut beginnen deshalb nur dann zu fluoreszieren, wenn sie zwei dieser Photonen aufnehmen. Melanin weist dabei aber eine Besonderheit auf: Es kann die Photonen in zwei Schritten absorbieren. Leupold:
"Also wenn man sich vorstellt in einem Haus. Es kommt aus der untersten Etage durch das erste Photon in eine erste Etage und durch das zweite Photon in eine höhere Etage. Und von da aus kann es dann fluoreszieren. Und wenn man jetzt die Photonendichte so weit herunterdrückt, dass das Melanin in der ersten Etage wartet, bis das Photon kommt, dann hat das den Vorteil gegenüber den anderen, die diese erste Etage nicht haben."
Auf diese Weise wird bevorzugt Melanin zum Leuchten angeregt. Dieser Effekt lässt sich sogar noch weiter steigern, wenn man die Dauer der Laserblitze verändert. Die Berliner Forscher können nun gezielt die Fluoreszenz des Hautpigments untersuchen. Sie haben also zum Beispiel Tumorgewebe mit Laserpulsen beleuchtet und mit Proben verglichen, die aus gutartigen Pigmentflecken stammten. Im Spektrum des Lichts, das das Melanin in beiden Fällen abgibt, sind deutliche Unterschiede zu erkennen, erklärt Leupold:
"Also, wir haben für das gesunde Gewebe eine Melanin-Fluoreszenz, die sieht so blau-grün aus. Und für das bösartige Gewebe haben wir eine Fluoreszenz, die liegt im roten Spektralbereich. Wir haben also eine ganz deutliche Verschiebung um 100 Nanometer mindestens. So dass wir mit der roten Fluoreszenz einen richtigen Fingerabdruck des Malignen Melanoms, des Schwarzen Hautkrebses in dieser roten Fluoreszenz dann sehen können."
Mit diesem spektralen Fingerabdruck verrät sich der bösartige Hauttumor schon in einem so frühen Stadium, dass er sich meist ohne Probleme entfernen lassen dürfte - jedenfalls lange bevor Metastasen entstehen können. Und sollte es sich um eine gutartige Hautveränderung handeln, so erfahren Arzt und Patient das Untersuchungsergebnis unmittelbar. Ohne, dass dafür erst eine Gewebeprobe im Labor analysiert werden muss. Erste Prototypen des Geräts werden bereits klinisch getestet. Bis es in Serie gehen kann, werden aber mindestens noch zwei Jahre vergehen.