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Krebs erkennen mit ultrakurzen Lichtblitzen: Neue Nachwuchs-forschergruppe am Leibniz-IPHT

Forschen für eine bessere Krebsdiagnostik: Die junge Wissenschaftlerin Maria Chernysheva baut am Leibniz-IPHT eine Nachwuchsgruppe für Ultrakurzzeit-Faserlaser auf. Mit neuartigen Ansätzen für ultraschnelle Faserlaser will Maria Chernysheva den in Jena erforschten Wellenlängenbereich erweitern und eine neue technologische Plattform etablieren, um mithilfe von Infrarotspektroskopie Krebs zu diagnostizieren. Ultraschnelle Lasertechnik eignet sich dazu in besonderer Weise, weil sie mit anschließender Frequenzumwandlung den mittleren IR-Wellenlängenbereich erreicht. Der liefert fingerabdruck-ähnliche Informationen über die molekulare Zusammensetzung von Gewebe und ermöglicht so eine schnelle, präzise und schonende Diagnose.

Von Moskau über Birmingham nach Jena: Für Maria Chernysheva ist ihr Start am Leibniz-IPHT nicht nur geografisch eine neue Station ihrer wissenschaftlichen Laufbahn. Ihre neue Position als Leiterin der Nachwuchsforschergruppe für Ultrakurzzeit-Faserlaser markiert für die junge Ingenieurin auch einen Wandel im Denken. „Wenn ich einen Laser entwickelt habe, passierte häufig Folgendes: Der Artikel war erfolgreich veröffentlicht, ein Phänomen neu entdeckt — und der Laser landete im Regal. Dort wurde er entweder abgestaubt oder irgendwann auseinander gebaut, für die nächste Versuchsanordnung.“ Diese Routine habe sie zweifeln lassen an ihrer eigenen Forschung, berichtet Maria Chernysheva. „Ich änderte meine Herangehensweise.“ Sie suchte gezielt nach Anwendungsideen und begann, mit Forscherteams aus Medizin und Sensorik zusammenzuarbeiten — etwa mit der Herz-Kreislauf-Forschung an der „Medical School“ der britischen Aston University. Dort entwickelte Maria Chernysheva vor ihrem Wechsel nach Jena Laserinstrumente für die Herzchirurgie.

Ihr Ziel: Neue Laser für die Krebsforschung

Die neue Station an einem der führenden Forschungsinstitute auf dem Gebiet der optischen Gesundheitstechnologien ist für die Wissenschaftlerin da nur konsequent. Als Teilnehmerin des internationalen Karriereworkshops „Women in Photonics“ des Leibniz-IPHT im April 2018 war der Nachwuchswissenschaftlerin, die 2014 am Forschungszentrum für Faseroptik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau in Laserphysik promovierte, das Institut zudem bereits vertraut. Was sie besonders überzeugte: die geschlossene Technologiekette, die es Forscherteams ermöglicht, von der Idee bis zur Anwendung zu gelangen. „Von der Herstellung von Faser-Preformen über die Entwicklung von Lasern und anderen photonischen Technologien bis zu deren Anwendung können hier alle Schritte abgedeckt werden. Diese Kombination zeichnet das Leibniz-IPHT vor anderen Institutionen aus.“

Mit neuartigen Ultrakurzzeit-Faserlasern will Maria Chernysheva den Bereich des mittleren Infrarot erschließen. So möchte sie neue Möglichkeiten eröffnen, um Krebs zu diagnostizieren und Veränderungen in Zellen präzise auf die Spur zu kommen. Gefördert mit einem Stipendium der Königlichen Akademie für Ingenieurwesen, entwickelte Maria Chernysheva an der Aston University zuletzt Femtosekunden-Mid-IR-Laser und Instrumente, um den biochemischen Gehalt von Gewebe nicht-invasiv zu beurteilen.

Licht blitzt kürzer als eine billionstel Sekunde

Ultrakurzzeit-Laser sind Laser, die ultrakurze Lichtimpulse aussenden. „Ultrakurz“ heißt: kürzer als eine billionstel Sekunde. „Ultrakurzzeit-Faserlaser sind zu einem Zugpferd geworden, wenn leistungsstarke Energiequellen und hohe Präzision gebraucht werden“, erläutert Maria Chernysheva. Zum Beispiel in der Chirurgie sowie in der Bearbeitung von Werkstücken in kleinsten Dimensionen, im Mikro- und Nanobereich. Weitere Anwendungen sind optische Speicher und die Drei-Photonen-Mikroskopie, mit der etwa Neurowissenschaftler Bilder von der Arbeit lebender Zellen erhalten können.

Mit Nachwuchsforschergruppen gibt das Leibniz-IPHT exzellenten jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, ein aussichtsreiches Forschungsthema am Institut zu verankern. Aus früheren Nachwuchsforschergruppen ging etwa die Forschergruppe Klinisch-spektroskopische Diagnostik hervor. Darin erforscht Prof. Ute Neugebauer — heute stellvertretende wissenschaftliche Institutsdirektorin — mit dem integrierten Forschungs- und Behandlungszentrum Center for Sepsis Control and Care des Jenaer Universitätsklinikums neue Werkzeuge, mit denen Mediziner künftig Sepsis besser behandeln können. Auch Prof. Torsten Frosch konnte sich mit seiner Nachwuchsforschergruppe zur Faserspektroskopischen Sensorik am Leibniz-IPHT etablieren. Mit seinem Team erforscht er neuartige Hohlkernfasern, um Gase und Antibiotika spektroskopisch zu analysieren. So könnten etwa Mediziner feststellen, ob Patienten mit einer schweren Infektion mit ausreichend Antibiotika versorgt sind.