Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben einen neuen Bereich der Mikroskopie erfunden: die Kernspin-Mikroskopie. Damit können magnetische Signale der Kernspinresonanz mit einem Mikroskop sichtbar gemacht werden. Quantensensoren verwandeln die Signale in Lichtimpulse, die dann eine extrem hoch aufgelöste optische Darstellung ermöglichen.
Magnetresonanztomographen (MRT) sind bekannt für ihre Fähigkeit, in die Tiefe des menschlichen Körpers zu schauen und Bilder von Organen und Geweben zu erstellen. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte neue Methode erweitert diese Technik auf den Bereich der mikroskopischen Details. «Die verwendeten Quantensensoren ermöglichen es, Magnetresonanzsignale in optische Signale umzuwandeln. Diese Signale werden mit einer Kamera erfasst und als Bilder dargestellt», erklärt Dominik Bucher, Professor für Quantensensorik und Forscher am Exzellenzcluster Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).
Diamantchip als Quantensensor
Die Auflösung des neuartigen MRT-Mikroskops erreicht 10 Millionstel Meter – das ist so fein, dass selbst die Strukturen einzelner Zellen zukünftig sichtbar gemacht werden können. Das Herzstück des neuen Mikroskops ist ein winziger Diamantchip. Dieser auf der atomaren Ebene speziell präparierte Diamant dient als hochsensibler Quantensensor für MRT-Magnetfelder. Wird er mit Laserlicht bestrahlt, erzeugt er ein fluoreszierendes Signal, das die Informationen des MRT-Signals enthält. Dieses Signal wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und ermöglicht Bilder mit einer deutlich höheren Auflösung bis auf mikroskopische Ebene.
Vielseitige Anwendungen möglich
Die potenziellen Anwendungen der Kernspin-Mikroskopie sind vielversprechend: In der Krebsforschung könnten einzelne Zellen detailliert untersucht werden, um neue Erkenntnisse über Tumorwachstum und -ausbreitung zu gewinnen. In der Pharmaforschung könnte die Technik genutzt werden, um Wirkstoffe auf molekularer Ebene effizient zu testen und zu optimieren. Auch in den Materialwissenschaften bietet sie ein grosses Potenzial, zum Beispiel zur Analyse der chemischen Zusammensetzung von Dünnschichtmaterialien oder Katalysatoren.
Flüssigbiopsie-Technologie für Krebsmonitoring
Auf der Grundlage der neuen Kernspin-Mikroskopie hat sich das Start-up-Team QTAS (Quantum Total Analysis Systems) gebildet. Sein Ziel: Einzelne Krebszellen hochpräzise und in kurzen Zeitabständen erfassen zu können.
Aktuell werden Therapieerfolge oft erst nach drei bis sechs Monaten überprüft, was zu verzögerten Anpassungen von Therapien und damit zu suboptimalen Behandlungsergebnissen führen kann. Ziel der Flüssigbiopsie-Technologie ist diese Überwachungsintervalle bis auf einige Tage zu verkürzen und eine sehr präzise Überwachung der Krebstherapie zu ermöglichen. Die ersten ermutigenden Ergebnisse zeigen, dass einzelne Krebszellen mit aussergewöhnlicher Präzision detektierbar sind.
Die Forschungsgruppe hat ihre Entwicklung zum Patent angemeldet und plant bereits, die Technologie weiterzuentwickeln, um sie noch präziser und schneller zu machen. Langfristig könnte sie in der medizinischen Diagnostik und der Forschung als Standardwerkzeug etabliert werden. «Die Verschmelzung von Quantenphysik und Bildgebung eröffnet völlig neue Möglichkeiten, um die Welt auf molekularer Ebene zu verstehen», betont Erstautor Karl D. Briegel.
Ulrich Meyer, Technische Universität München
