Lasertechnologie und Bluttests für Krebsfrüherkennung

05. Oktober 2023

Der diesjährige Nobelpreis für Physik geht an Professor Ferenc Krausz, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik / Laserphysik an der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Er erhält die Auszeichnung zusammen mit Anne L’Huillier von der Universität Lund, Schweden, und Pierre Agostini von der Ohio State University, USA. Die drei Forschenden werden für experimentelle Methoden ausgezeichnet, die es erlauben, Attosekunden-Lichtpulse zu erzeugen, um damit das Verhalten von Elektronen in Atomen und Molekülen zu untersuchen.

Das LMU Klinikum kooperiert mit der Abteilung von Prof. Dr. Krausz schon mehr als fünf Jahre bei klinischen Studien. Die Blutproben werden auch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ausgewertet (Bild: Thorsten Naeser, MPG/LMU)

Auf Basis der Ultrakurzzeit-Lasertechnologie, die auch die Grundlage für die Auszeichnung bietet, wurde in den letzten Jahren die feldaufgelöste Infrarotspektroskopie entwickelt. Die klinische Anwendung dieser Laser-Technologie wird derzeit in Kooperation mit dem LMU Klinikum erstmals erprobt. Ein möglicher Einsatz liegt unter anderem in der Früherkennung von Krebserkrankungen. Das LMU Klinikum kooperiert mit der Abteilung von Prof. Dr. Krausz schon mehr als fünf Jahre bei klinischen Studien (www.lasers4life.de/). Beteiligt sind daran die Medizinische Klinik und Poliklinik V für Pneumologie, das Lungentumorzentrum München, die Frauenklinik in Kooperation mit dem Brustzentrum, die Urologische Klinik, die Klinik und Poliklinik II für Gastroenterologie und Hepatologie, die Klinik und Poliklinik für Radiologie und die Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde.

Da die Lasertechnologie noch in Erprobung ist, wurde eine Studie an Blutproben von Patienten mit Lungen-, Brust-, Prostata- oder Blasenkrebs sowie nicht erkrankten Kontrollpersonen mit herkömmlicher Infrarotspektroskopie durchgeführt, das auf einem ähnlichen Konzept beruht. In einer Zwischenauswertung mit 1.927 Teilnehmern zu den vier Hauptentitäten konnten hochpräzise, individuelle Spektren aus Blutserumproben als auch Blutplasma erzeugt werden, die diagnostische Informationen sowohl über die Art der Krebserkrankung als auch über das Tumorstadium enthielten.

Mittels machine learning Algorithmen ist es in ersten Auswertungen gelungen, z.B. bei Lungenkrebspatienten spezifische Muster mit einer diagnostischen Treffsicherheit von 89 Prozent (area under the receiver operating characteristic curve [AUC]) zu identifizieren. Im Vergleich zu den anderen untersuchten Tumorarten waren die Signale der Lungenkrebspatienten am deutlichsten ausgeprägt und lassen daher eine Anwendung dieser neuartigen Technologie als besonders erfolgversprechend erscheinen.

Auch in der Urologie wird es durch die Forschung von Prof. Krausz und seinem Team möglich sein, mit Hilfe der feldaufgelösten Infrarotspektroskopie einen sogenannten molekularen Fingerabdruck verschiedenster Patientenproben zu untersuchen. Diese Information kann eine sehr große Rolle in der Krebsführerkennung spielen. Zusammen mit Prof. Krausz und Frau Dr. Zigman konnten so seit 2017 die Blut- und Urinproben von mehreren tausend Patienten der Urologischen Klinik mit Infrarotspektroskopie untersucht werden.

Das Team von Prof. Krausz verfolgt diesen Forschungsansatz weiter in der Arbeitsgruppe „Broadband Infrared Diagnostics“ unter Leitung von Frau Dr. Mihaela Zigman. In Kooperation mit den bereits genannten klinischen Einrichtungen des LMU Klinikums. Ein Antrag für eine groß angelegte klinische Studie an 19.000 Patienten und Kontrollen wurde an die DFG gestellt (Infrarotspektroskopie zur Krebsfrüherkennung: Neuartige Femtosekundenlaser-basierte Infrarotspektroskopie und Mustererkennung mittels maschinellem Lernen für die IVD fünf verschiedener Krebsentitäten aus Blutplasma)

Klinische Studie startete im Frühjahr

In diesem Jahr startete bereits die Rekrutierung von Patientinnen und Patienten für die klinische Studie "Molecular Fingerprinting for Cancer Detection". Ein Ziel ist es, mit Hilfe der Elektrofeld-Molekularspektroskopie ein medizinisches Gerät zu entwickeln, das die derzeitige primäre Krebsdiagnostik ergänzt. In den nächsten Jahren sollen Tausende von Personen mit verschiedenen Krebsarten sowie Kontrollpersonen zunächst am Klinikum der LMU München und später an anderen Kliniken in Deutschland in die Studie aufzunehmen. Das Studien-Team wird die Blutproben mit Hilfe der Infrarotspektroskopie in den Laserlabors der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München) in Garching verarbeiten und messen.

Titel der Orginalarbeit

T. Eissa, K. V. Kepesidis, M. Žigman, M. Huber
Limits and Prospects of Molecular Fingerprinting for Phenotyping Biological Systems Revealed through In Silico Modeling
Analytical Chemistry, 2023

Quelle: LMU Klinikum