Der Mann mit dem Mega-Mikroskop

Mit einem blitzschnellen Lasermikroskop will ein findiger Physiker aus Heidelberg medizinische Diagnosen revolutionieren.

Text: Rolf Metzger. Fotos: Dr. Nils Kröger-Lui

Im Sommer 2013 erlebte Dr. Niels Kröger-Lui seinen großen Aha-Moment. Zuvor hatte der junge Forscher einige Umbauten an einem Mikroskop vorgenommen, das er gemeinsam mit Kollegen am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg aufgebaut hat. Sie sollten es ermöglichen, mit infrarotem Laserlicht tief in die Welt der Zellen und Biomoleküle hineinzublicken. Doch was der Physiker dann sah, als er eine Gewebeprobe unter dem neuartigen Instrument betrachtete, übertraf selbst seine kühnsten Erwartungen.

„Vor mir tat sich ein Bild des Mikrokosmos auf, das so zuvor noch niemand erblickt hatte“, schwärmt er noch heute: gestochen scharf, in bunten Farben und ohne langes Warten. Herkömmliche Infrarot-Mikroskope dagegen, die nicht mit Laserlicht arbeiten, verlangen den Forschern viel Geduld ab. „Die sogenannten FTIR-Spektrometer nutzen die Strahlung einer Wärmequelle, die viele verschiedene Wellenlängen enthält“, erklärt Kröger-Lui. Sie wird an den biologischen Strukturen absorbiert und gestreut und danach von einem aufwendig gekühlten Detektor aufgefangen. Bevor man etwas sehen kann, verwandelt ein mathematisches Verfahren das durch die Probe transmittierte Licht in seine einzelnen spektralen Anteile. „Bis ein brauchbares Bild entsteht, kann es auf diese Weise mehrere Stunden dauern“, sagt Kröger-Lui.

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Scharfer Einblick: Die Aufnahme zeigt ungefärbtes Mandelgewebe in Paraffin. Sie wurde mit infrarotem Laserlicht in fünf Minuten erstellt. Das Bild umfasst über 100 Mio Pixel und zeigt selbst einzelne Zellen.

Ganz anders mit seinem Laser-Mikroskop: chon nach wenigen tausendstel Sekunden ist eine einzelne Aufnahme erstellt. Und nach wenigen Sekunden erscheint ein Bild mit höchster Auflösung auf dem Display, das viele Schnappschüsse bei verschiedenen Wellenlängen enthält. Die Bilder zeigen die Verteilung von Biomolekülen in Gewebeproben kontrastreich und farbig. „Dazu muss die Probe nicht wie beim Mikroskopieren mit sichtbarem Licht zuvor eingefärbt werden“, sagt der Forscher, „ein Pluspunkt von infrarotem Licht.“

Die neue Technologie ist ein Glücksfall für Wissenschaftler, die Aufbau und Funktion von biologischem Gewebe erforschen wollen – und für Ärzte, wie der pfiffige Heidelberger Physiker rasch erkannt hat. Denn die Mediziner sind mitunter dringend auf eine rasche und zuverlässige Gewebeanalyse angewiesen. Zum Beispiel bei einer Krebsoperation: „Da muss der Chirurg genau wissen, wo der Tumor endet und wo gesundes Gewebe beginnt“, sagt Kröger-Lui. „Denn beim Herausschneiden eines Tumors darf zum einen nichts übersehen werden – zum anderen kommt es darauf an, nicht zu viel Gewebe zu entfernen.“ Mit dem schnellen und scharfsichtigen Instrument lässt sich das minutenschnell während des Eingriffs im Operationssaal entscheiden.

Ermöglicht hat den enormen Fortschritt ein Quantenkaskadenlaser. Solche winzigen Laser, die aus diversen dünnen Halbleiterschichten bestehen, gibt es erst seit wenigen Jahren zu kaufen. Das Licht entsteht in dem kompakten, aber leistungsstarken Laser, indem Elektronen kaskadenartig in vielen kleinen Sprüngen diskrete Energieniveaus in der Halbleiterstruktur durchlaufen.

Niels Kröger-Lui lernte die Technologie bei seiner Diplomarbeit am Institut von Prof. Dr. Wolfgang Petrich an der Universität Heidelberg kennen. „Er bot mir damals an, bei der Entwicklung eines optischen Blutzucker-Messgeräts mitzuarbeiten“, erinnert sich Kröger-Lui – einem Projekt der Baden-Württemberg Stiftung, das Diabetikern das belastende Blutabnehmen für den Zuckertest ersparen sollte. Dazu nutzten die Heidelberger als eines der ersten Forscherteamseinen Quantenkaskadenlaser. Kröger-Lui, der schon während seines Studiums bestrebt war, später Dinge zu tun, die nützliche medizinische Anwendungen versprechen und ein wirtschaftliches Potenzial haben, war davon fasziniert. Daher blieb er nach seiner Diplomarbeit am Institut und entwickelte auf der Basis der neuen Wunderlampe das innovative Infrarotmikroskop.

Den Quantenkaskadenlaser vergleicht er mit der Laserdiode, ohne deren Erfindung es heute weder CDs und DVDs noch Laserdrucker, Lichtschranken und eine schnelle Datenübertragung in Glasfasernetzen geben würde. „Auch die Technologie der Quantenkaskadenlaserhat eine glänzende Zukunft vor sich“, ist der junge Physiker überzeugt. Mit seinem revolutionären Mikroskop trägt er selbst einen Teil dazu bei.

Nach dem Aha-Moment Mitte 2013 ging es rasch voran. In einem Vortrag an der Uni präsentierte der Doktorand seine Bilder erstmals vor Forscherkollegen – und weckte damit helle Begeisterung. „Dabei habe ich gar nicht alles präsentiert, was ich hätte zeigen können“, sagt Kröger-Lui. Zusammen mit seinem Doktorvater Petrich entwickelte er sein Lasermikroskop weiter bis zur Praxisreife. Im April 2015 konnte er den erfolgreichen Abschluss seiner Promotion feiern, im September war er zusammen mit Wolfgang Petrich für den Berthold Leibinger Innovationspreis nominiert.

„Das Interesse an unserem Produkt ist groß“, freut sich der Physiker – nicht zuletzt, weil das Lasermikroskop nicht nur bessere, sondern auch preisgünstigere Aufnahmen liefert. „Die Anschaffungskosten sind zwar vergleichbar mit denen herkömmlicher Spektrometer – doch wegen der hohen Geschwindigkeit können sie in der gleichen Zeit viel mehr Bilder liefern“, sagt Niels Kröger-Lui. Er hofft, noch 2017 mit einem kommerziellen Mikroskop an den Markt gehen zu können, und ist sicher: Künftig werden seine Geräte in medizinischen Labors und selbst in Arztpraxen stehen, wo sie erstmals blitzschnelle Analysen ermöglichen – etwa beim Verdacht auf Hautkrebs bei einem Patienten. „Diese Vision zu realisieren, ist momentan eines meiner beiden Babys“, meint der kreative Forscher schmunzelnd. Es hält ihn ebenso gehörig auf Trab wie das andere Kind: Im Oktober wurde er stolzer Vater einer gesunden Tochter.


Dr. Niels Kröger-Lui forscht am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. Seine neuartige Technologie hat er zu einem Produkt entwickelt, das er für Ärzte und Medizinlabors anbieten will.

 

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