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Der Laser wird zum Nano-Skalpell: Neues Werkzeug ermöglicht Molekülchirurgie

10.05.2007 - (idw) Universität des Saarlandes

Gezielt können einzelne Bestandteile menschlicher DNA oder von Tumorzellen inaktiviert werden: Der Saarbrücker Mikrosensoriker und Laserphysiker Prof. Dr. Karsten König hat mit einem Forschungsteam aus Jena ein neues Werkzeug zur Molekülchirurgie entwickelt. Durch eine Kombination aus Laser-Licht und Nanopartikel werden erstmals Bohrungen und Schnitte 2000 mal feiner als die Breite eines Haares möglich. Mit einer Größe von 40 Nanometern, das sind 40 Millionstel Millimeter, ist Professor König und seinen Teamkollegen die weltweit kleinste optische Nano-Bohrung in ein einzelnes Chromosom gelungen.
Die Zeitschrift Nature Nanotechnology beschrieb die Entwicklung als "Forschungs-Highlight 2007" unter der Überschrift "Nanoparticles: Catch the Light". Es ist nicht der Lichtstrahl selbst, der Löcher in Chromosomen brennt oder in einzelne Moleküle schneidet. Auf einen so winzigen Punkt lässt sich das Laserlicht nicht mehr fokussieren. Der Lasermedizin-Experte Professor Karsten König erreichte mit den ultrakurzen Laserpulsen seines Femtosekundenlasers einen Licht-Fokus von etwa einem Millionstel Meter - auch das war noch zu groß für die Nanochirurgie.
Mit einem Kunstgriff ist Professor König jetzt gemeinsam mit Kollegen der Firma JenLab GmbH und vom Jenaer Institut für Photonische Technologien der Durchbruch gelungen: Der Biophysiker nutzt die Wechselwirkung zwischen Nanopartikeln und Licht. Hierzu wird ein Nano-Metallkügelchen mit Hilfe molekularbiologischer Methoden an die Gensequenz gebunden, die ausgeschaltet werden soll; in den jetzt in NANOLETTERS (Czaki et al. NANOLETTERS 2(2007)247-253, www.nature.com/nnano/reshigh/2007) veröffentlichten Forschungsarbeiten war dies eine bestimmte Region des Chromosoms 1. Das Licht des Femtosekundenlasers - ultrakurze Laserpulse im nahen infraroten Spektralbereich - trifft ähnlich einem Scheinwerfer auf die Umgebung des Chromosoms. Der Nanopartikel fängt das Licht auf, erwärmt sich und brennt ein nur 40 Nanometer großes Loch exakt in diese Stelle - das entspricht einem Durchmesser von einem Zweitausendstel einer Haaresbreite. "Optical knock-out" nennen das die Wissenschaftler. Die umliegenden Teile des Chromosoms bleiben dabei unbeschadet.

Diese Kombinationstechnik aus Nanopartikel und ultrakurzen Laserpulsen schafft die Grundlage für eine Laser-Nanochirurgie. Erstmals werden eine hochpräzise optische DNA-Chirurgie und optische Nanomanipulation von Molekülen möglich. Dies eröffnet vollkommen neue therapeutische Möglichkeiten. So lassen sich zukünftig in der Gentherapie bestimmte genomische Bereiche der DNA, etwa solche, die einen genetischen Defekt verursachen, gezielt inaktivieren. Auch in der Tumor-, Neuro- oder Augenchirurgie sehen die Forscher Anwendungsfelder ihrer Methode. Das Team um Professor König am Lehrstuhl für Mikrosensorik der Universität des Saarlandes und am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik in St. Ingbert arbeitet derzeit daran, Proteine und einzelne Bestandteile von Tumorzellen optisch außer Gefecht zu setzen.

Die Firma JenLab GmbH, die Mitarbeiter auch an den Standorten St. Ingbert und Saarbrücken beschäftigt, hat die Basistechnologie zum weltweiten Patent angemeldet.

Die Forschungen wurden als Nanobiotechnologie-Projekt vom Bundesforschungsministerium gefördert.

Prof. Dr. Karsten König
ist Professor für Mikrosensorik mit Aufbau- und Verbindungstechnik an der Saar-Universität und Abteilungsleiter für Mikrosystemtechnik/Lasermedizin am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in St. Ingbert.
Für seine Forschungen unter anderem zur Nanochirurgie und zum Einsatz des Femtosekundenlasers in der Augenchirurgie und bei Hautkrebs wurde König mehrfach ausgezeichnet, so im Oktober 2005 mit dem Preis "Technik für den Menschen" der Fraunhofer-Gesellschaft und dem Pascal Rol Award der Society for Optical Engineering.

König hat ein Femtosekunden-Lasersystem so weiterentwickelt, dass es mit sehr hoher Pulsfolge im nahen infraroten Spektralbereich arbeitet und sein Lichtstrahl in bislang einzigartig präziser Weise fokussiert werden kann. Mit diesem Lasersystem hat er den Einstieg in die Nano-Laser-Medizin geschaffen, ein neuer Zweig der Medizin, der die einzelne Zelle und ihre Bestandteile in den Mittelpunkt von Diagnose und Therapie stellt. Mit reduzierter Leistung und Spezial-Optiken gewährt das System Einblicke in lebendes Gewebe mit bisher unbekannter Präzision - 1000 Mal genauer als Computertomographen.


Kontakt:
Prof. Dr. Karsten König
Tel. 06894 - 980-151
Fax 06894 - 980-152
E-Mail: karsten.koenig@ibmt.fraunhofer.de

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