Krebs erkennen mit Laserphysik

Das Licht gibt den Takt vor bei Ferenc Krausz, und es ist kein gemächlicher Dreivierteltakt. Gerade mal einhundert Milliardstel einer Milliardstelsekunde dauern die Lichtblitze, mit denen der Physiker in seinen Münchner Laboren experimentiert. Oder fachlich korrekt ausgedrückt: weniger als hundert Attosekunden.

Es ist eine jener physikalischen Einheiten, die intuitiv schwer zu greifen sind – und auch Analogien machen es kaum besser. Eine geht so: In eine einzige Sekunde passen so viele Attosekunden, wie Sekunden seit dem Urknall vergangen sind. Mit anderen Worten, die Lichtblitze sind verdammt kurz.

Ursprünglich haben Krausz und sein Team die hochgetakteten Pulse entwickelt, um die Bewegung herumflitzender Elektronen im Bild festzuhalten – wie mit einer ultraschnellen Kamera. Für diese grundlegenden Arbeiten erhielt Krausz 2023 den Physiknobelpreis, gemeinsam mit zwei Forschenden aus Schweden und den USA. Inzwischen hat sein Team jedoch einen neuen Kurs eingeschlagen: Krausz will die Attosekunden-Technik nutzen, um Krankheiten wie Krebs, Diabetes, Herz- und Atemwegserkrankungen frühzeitig zu erkennen – lange bevor erste Beschwerden auftreten. Ein medizinisches Frühwarnsystem, basierend auf ultrakurzen Lichtpulsen.

Anwendung in der medizinischen Früherkennung

Laserphysiker, die plötzlich medizinische Probleme lösen wollen? Geht das? „Natürlich hätten wir mit unseren Methoden weiterhin grundlegende Fragen der Physik anpacken können, zum Beispiel in Festkörpern“, erzählt Ferenc Krausz. „Doch irgendwann habe ich mich gefragt: Will ich das wirklich bis zum Ende meiner aktiven Zeit machen? Oder gibt es nicht eine Anwendung, bei der das Instrumentarium, das ich mit meiner Gruppe beherrsche, einen direkten Nutzen für die Allgemeinheit haben kann?“

Krausz‘ Idee: Trifft ein extrem kurzer Lichtblitz auf eine Blutprobe, bringt er die darin enthaltenen Moleküle zum Schwingen. Diese senden ihrerseits Strahlung aus, die mithilfe der Attosekunden-Technik höchst präzise abgetastet werden kann – ähnlich den ursprünglichen Momentaufnahmen der flitzenden Elektronen. Das Resultat ist ein charakteristisches Muster: ein Fingerabdruck des Blutes.

»Irgendwann habe ich mich gefragt: Gibt es nicht eine Anwendung, bei der das Instrumentarium, das ich mit meiner Gruppe beherrsche, einen direkten Nutzen für die Allgemeinheit haben kann?«

Ferenc Krausz

Hinterlassen Krankheiten nun ihre Spuren im Blut, sollten sich diese auch in den Fingerabdrücken zeigen. „Man muss die Informationen nur aus diesem Signal herausholen“, sagt Krausz, Inhaber des Lehrstuhls für Experimental- und Laserphysik an der LMU sowie Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. „Electric-Field Molecular Fingerprinting“ (EMF) nennt sein Team die Methode.

Ganz neu ist der Ansatz nicht. Schon heute bestrahlen Forschende Blutproben mit infrarotem Licht, um charakteristische Schwingungsmuster der darin enthaltenen Moleküle zu analysieren. Dabei kommt jedoch kontinuierliche Infrarotstrahlung zum Einsatz, deren Rauschen die Messungen überlagert. Anders bei den Münchner Physikern: Sie setzen auf einen kurzen, schlagartigen Lichtpuls.

Wie eine physikalische Stimmgabel

Krausz, Takt- und Ideengeber des Projekts, wählt zur Veranschaulichung gern ein Bild aus der Musik: eine Stimmgabel. Will ein Musiker sein Instrument stimmen, schlägt er die Stimmgabel genau einmal an. Der Raum bleibt still, nur die Gabel schwingt. Der ultrakurze Infrarot-Laserpuls funktioniert im Prinzip genauso, nur auf molekularer Ebene. „Nach einer solchen Anregung kann ich selbst kleinste Signale messen, sofern meine Messtechnik empfindlich genug ist“, sagt Krausz. Das bislang genutzte kontinuierliche Infrarotlicht gleicht hingegen einem Musiker, der die Stimmgabel ununterbrochen anschlägt – und so ein Störsignal erzeugt, das präzises Stimmen nahezu unmöglich macht.

Etwa dreieinhalb Minuten benötigt der Laser, um den Fingerabdruck einer Blutprobe zu erstellen, einschließlich Probenwechsel und Reinigen der Küvette. Das Projekt selbst verläuft deutlich schleppender. Bereits 2016 hatte Krausz die Idee. Bis alle Genehmigungen der Ethikkommissionen vorlagen, vergingen allerdings fast zwei Jahre. Und bis ausreichend Blutproben gesammelt werden konnten, um mit der Arbeit zu beginnen, zogen weitere zwei bis drei Jahre ins Land. Geholfen hat eine enge Zusammenarbeit mit dem Klinikum der LMU in Großhadern: Die Urologie lieferte Proben von Patienten mit Prostatakrebs, vom Brustzentrum kam Blut von Brustkrebspatientinnen und die Pneumologie steuerte Blutproben zu Lungenkrebs bei. Inzwischen gehören auch Kliniken in Berlin, Gera und Gauting zum Netzwerk.

Die Analyse folgt dabei stets dem gleichen Schema: Zunächst entfernt eine Zentrifuge die Zellen aus dem Blut. Zurück bleiben Serum oder Plasma mit Hunderttausenden verschiedener Moleküle. Dann erstellt der Laser einen Fingerabdruck der Probe. Dieses Signal landet schließlich bei einer Künstlichen Intelligenz, gemeinsam mit Informationen, um welche Krebsart es sich handelt und wie weit die Krankheit fortgeschritten ist. Auch Fingerabdrücke gesunder Kontrollpersonen fließen in das Training des Algorithmus ein.

Einen Teil der Blutproben halten die Forschenden zudem bewusst zurück. An ihnen muss die KI am Ende beweisen, dass sie zuverlässig erkennt, ob ein Fingerabdruck auf Krebs hindeutet oder nicht.

Volkskrankheiten innerhalb von Minuten frühzeitig erkennen

Ein erstes großes Ergebnis hat Mihaela Žigman, die in Krausz‘ Team die Forschungsgruppe für Breitband-Infrarot-Diagnostik leitet, vergangenes Jahr zusammen mit weiteren Forschenden veröffentlicht. Blutproben von 2.533 Probandinnen und Probanden konnten dafür untersucht werden. Die Ergebnisse klangen vielversprechend: Bei Lungenkrebs erkannte der Algorithmus die Erkrankung mit einer Trefferquote von über 80 Prozent, bei Prostata-, Blasen- und Brustkrebs lag die Genauigkeit knapp unter 70 Prozent. „In weiteren veröffentlichten Studien konnten wir zudem nachweisen, dass dieses Konzept eine Reihe von Volkskrankheiten erfolgreich erfasst“, sagt Žigman.

Damit liege die EMF-Lasertechnik derzeit etwa auf dem Niveau konventioneller Infrarotanalysen, so Žigman – also dem beständigen Anschlagen der Stimmgabel. Künftige Versionen der Messtechnik dürften der bisherigen Methode jedoch überlegen sein. Zudem konnte das Team anhand der Fingerabdrücke erkennen, wie weit eine Krebserkrankung fortgeschritten war. „Das hat uns sehr viel Mut und Motivation gegeben, um weiterzumachen“, sagt Ferenc Krausz.

Der Physiker hat die Schlagzahl daher erhöht. Krausz will nicht nur einzelne Krebsarten im Blut erkennen, sondern auch Volkskrankheiten wie Diabetes oder Herz-Kreislauf-Leiden – und zwar lange bevor Betroffene Symptome verspüren und ärztliche Hilfe suchen. Krausz spricht von einem „Frühwarnsystem“ und von einem „allgemeinen Gesundheitsmonitoring“.

In Ungarn läuft dazu seit sechs Jahren eine groß angelegte Studie. Krausz und sein Team wollen das Blut von 15.000 Probandinnen und Probanden über zehn Jahre hinweg auf Veränderungen untersuchen. Um zunächst einen individuellen Fingerabdruck des aktuellen Gesundheitszustands zu erhalten, mussten alle Teilnehmenden zu Beginn der Studie viermal in Folge Blut abgeben. Jedes Jahr werden sie nun ein- oder zweimal zur erneuten Blutabnahme gebeten.

Eine globale Allianz

Die Idee dahinter: An den vier häufigsten Volkskrankheiten – Krebs, kardiovaskuläre Probleme wie Herzinfarkt oder Schlaganfall, Atemwegserkrankungen sowie Diabetes und andere Stoffwechselstörungen – werden im Laufe der Studie jeweils etwa 100 Teilnehmende neu erkranken. Im Idealfall liegen somit Blutproben aus der Zeit vor der Diagnose vor. „So können wir prüfen, ob unser Infrarot-Fingerabdruck bereits frühe Anzeichen einer sich entwickelnden Krankheit enthält – lange vor den ersten Symptomen“, sagt Krausz. „Denn wenn die Menschen erst zum Arzt gehen, wenn sie etwas spüren, ist es oft zu spät.“

Langfristiges Ziel ist ein universeller Screening-Algorithmus, der frühzeitig vor beginnenden Erkrankungen warnen kann. „Die Studie in Ungarn ist ein wichtiger, unverzichtbarer Schritt in diese Richtung, sie reicht aber nicht aus“, sagt Ferenc Krausz. Nötig seien deutlich mehr Probandinnen und Probanden: 50.000, vielleicht sogar 100.000, möglichst verteilt über den ganzen Globus.

Krausz möchte hierzu eine globale Allianz schmieden, da die Aufgabe für einzelne Universitäten oder auch einzelne Länder zu groß und zu kostspielig sei. Protecting.Health hat er das Projekt genannt. Die ersten drei Partner stehen bereits fest, Anfang März wurden die Verträge unterschrieben. Neben der LMU und dem von Krausz gegründeten Center for Molecular Fingerprinting in Ungarn ist auch die Universität Hongkong Teil des Teams. Jeder Partner will das Blut von bis zu 15.000 Teilnehmenden mindestens zehn Jahre lang analysieren – in der Hoffnung, dass die molekularen Fingerabdrücke eines Tages tatsächlich als umfassendes gesundheitliches Frühwarnsystem dienen können.

Ferenc Krausz ist Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik – Laserphysik an der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. 2023 wurde ihm der Nobelpreis für Physik zugesprochen . Kürzlich wurde Krausz als internationales Mitglied in die National Academy of Science in den USA aufgenommen.

Mihaela Žigman ist Professorin an der Fakultät für Medizin der LMU, leitet das Team „Broadband InfraRed Diagnostics“ (BIRD) und treibt die Entwicklung spektroskopischer Ansätze für medizinische Untersuchungen an der Schnittstelle zwischen Molekularanalytik und Ultrakurzzeitphysik voran.

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