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Biomedizinische Optik

Durch Schnitte im Inneren der Augenlinse kann die Verformbarkeit der Linse erhöht werden.
Minimal-invasive Chirurgie mittels fs-Laserskalpell.
Fluoreszenzaufnahme von perforierten lebenden Zellen, die nach laserinduzierter Perforation membran-impermeablen Farbstoff aufgenommen haben. Über diese Technik können Zellen selektiv mit Fremdmolekülen beladen werden. Zur Demonstration der räumlichen Selektivität wurde das Akronym des Exzellenzclusters REBIRTH mit dem Laser in der Zellkultur erstellt.

Arbeitsschwerpunkte der Abteilung

  • Nichtlineare Lasermikroskopie und Tissue Imaging
  • Optische Projektionstomographie (OPT), Optische Kohärenztomographie (OCT)
  • Nanochirurgie und Zell-Transfektion
  • Fs-Laser-Ophthalmo Anwendungen, Presbyopie, refraktive Laserchirurgie

Die Abteilung Biomedizinische Optik beschäftigt sich mit dem Einsatz von Lasern und optischen Methoden in den Bereichen Biophotonik und Laserchirurgie. Die Arbeitsschwerpunkte liegen in der Anwendung von Lasern, insbesondere ultrakurzer Laserpulse (fs-Pulse), die sowohl zur präzisen Gewebebearbeitung (Photodisruption) als auch zur hochgenauen Bildgebung (Multiphotonen-Mikroskopie, Optische Kohärenztomographie) eingesetzt werden können.

Die Biomedizinische Optik ist als Abteilung im Laser Zentrum Hannover e.V. angesiedelt und gleichzeitig ein Teil des Instituts für Quantenoptik der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover. Weitere Informationen zu den F&E-Arbeiten der Abteilung finden Sie auf www.lasermedizin.uni-hannover.de.

 

Eingesetzte Bildgebungsverfahren

Nichtlineare Lasermikroskopie und Tissue Imaging

Für die hochauflösende Bildgebung stehen der Abteilung verschiedenste Imaging-Modalitäten zur Verfügung. Einerseits werden über Methoden wie OCT oder OPT optische Methoden zu einer großskaligen Erfassung von Gewebestrukturen eingesetzt, um z. B das Einwachsen von Implantaten am Tiermodell zu verfolgen. Andererseits erlaubt der Einsatz von ultrakurz-gepulsten Lasern eine hochauflösende nichtlineare Bildgebung mit Auflösungen im subzellulären Bereich.

Optische Projektionstomographie (OPT) und Optische Kohärenztomographie (OCT)

Ähnlich wie in einem herkömmlichen CT, in dem durch mehrere Aufnahmewinkel eine 3D Rekonstruktion der Bilder möglich wird, können innerhalb der OPT hochauflösende Bilder von relativ großen Proben bis in den Zentimeterbereich aufgenommen werden. Durch Implementierung von Laser-Scanning-Verfahren lässt sich zusätzlich die Auflösung und Detektionsempfindlichkeit von z. B. Fluoreszenz-angefärbten Proben im Tissue Engineering weiter erhöhen.

Bei der OCT werden durch kohärente Überlagerung von breitbandigen Lichtquellen Einblicke ins Innere von biologischem Gewebe ermöglicht. Wichtige Anwendungsgebiete sind die berührungslose Evalution von Gewebegrenzflächen an perkutanenImplantaten, die Diagnose von Stimmlippenveränderungen oder die Vermessung der Augenlinse. Zudem kann die OCT mit ultrakurzen Laserpulsen zur Online-Therapie-Kontrolle in der Mikrochirurgie genutzt werden.

Kooperationen

Nationale Kooperationspartner

Internationale Kooperationspartner

Die Arbeiten im Bereich Biophotonik sind eingebettet in die Forschungsnetzwerke des Transregio 37 (TR37) sowie im Exzellenzcluster REBIRTH. Innerhalb des TR37 erforschen hannoversche Wissenschaftler zusammen mit Kollegen an den Standorten Aachen und Rostock den Einsatz von Mikro- und Nanosystemen in der Medizin. Direkte Kooperationspartner sind hier die Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo), das RWTH Aachen und die Uni-Klinik Rostock. Im Rahmen des Exzellenzclusters REBIRTH arbeitet die Gruppe gemeinsam mit Forschern der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) und der Tierärztlichen Hochschule (TiHo) sowie dem FLI Mariensee am Einsatz von optischen Methoden in der regenerativen Medizin.

Die Kooperation mit der AG Mazur aus Cambridge führte zu einer Patentanmeldung der Leibniz Universität Hannover und der Harvard University. Weitere Arbeiten auf dem Gebiet der Transfektion finden in Kooperation mit der St. Andrews University in Großbritannien sowie im Austausch mit der Ecole Polytechnique Canada statt.

Arbeiten zu den Bereichen Transfektion und Imaging finden in Industriekooperationen mit den Firmen Cenix Bioscience, Codon AG, Rowiak GmbH, Lavision Biotec und der Masterrind GmbH statt. Erste Studien bezüglich des Einsatzes von bildgebenden Verfahren im Bereich Medizintechnik waren in Kooperation mit dem Annastift und der Hals-Nase-Ohren Klinik der MHH im CrossBit Anwendungslabor der Gruppe.

Arbeitsbereich Laserchirurgie

Nanochirurgie und Zell-Transfektion

Fokussiert man ultrakurze Laserpulse mit hoher numerischer Apertur (NA >1), lassen sich über Multiphotonenabsorption Strukturen unterhalb des Beugungslimits des Lichtes gezielt zerstören. In Abhängigkeit von der eingesetzten Pulsenergie werden somit „chirurgische“ Eingriffe innerhalb einer biologischen Zelle möglich. Außerdem können Fremdmoleküle wie DNA oder RNA eingeschleust werden. Durch Verknüpfung mit plasmonischen Effekten beispielsweise an Nanopartikeln, lassen sich diese Effekte selbst bei niedrigen Aperturen synchron in großen Zellzahlen erreichen.

Presbyopiebehandlung

Durch gezielte Schnitte, die der fs-Laser im Innern der Augenlinse erzeugt, kann die Verformbarkeit der Linse erhöht werden. Somit ist eine Behandlung der Altersweitsichtigkeit (Presbyopie) denkbar.

Refraktive Chirurgie

Das als „Brille-weg-lasern“ weithin bekannte Verfahren unterliegt der ständigen Weiterentwicklung hinsichtlich Verträglichkeit und Präzision. Die Arbeitsgruppe erarbeitet hier vor allem neue Strategien, die mit einem Industriepartner zeitnah in die Praxis überführt werden können.

Fs-Ophthalmo

Einsatz des fs-Lasers in der Chirurgie (Therapie), Bildgebung (Diagnose) und Online-Kontrolle (Imaging) des zu therapierenden Areals mittels adaptiver Optik und OCT.

Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte

  • Presbyopiebehandlung mittels fs-Laserpulsen (fs-Lentotomie)
  • OCT-Darstellung und fs-Dissektion der Stimmlippen in der Laryngoskopie
  • Puls-zu-Puls-Wechselwirkung im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung hochrepetierender Lasersysteme in der Gefäßchirurgie (Laserangioplastie)
  • Projekt Femtosekunden-Laserskalpell für die minimalinvasive vitreo-retinale Chirurgie mit adaptiver Optik und OCT- Kontrolle

In der intraokularen Mikrochirurgie ermöglichen Femtosekunden-Laserpulse eine hochpräzise Gewebetrennung mit geringer thermischer Schädigung des umliegenden Gewebes. Stark fokussierte Femtosekunden-Laserpulse erzeugen einen optischen Durchbruch im Fokusvolumen und damit eine Trennung des Gewebes durch die resultierende Kavitationsblase (Photodisruption). Um die Retina während der Laseranwendung nicht zu beschädigen, muss der Laserfokus entweder einen Sicherheitsabstand zur Retina einhalten, oder die Pulsenergie darf einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreiten. Dies ist bei Anwendungen in unmittelbarer Umgebung der Retina von besonderer Bedeutung, da hier eine parasitäre Schädigung des umliegenden Gewebes unbedingt zu vermeiden ist. Da die vorderen Komponenten des Auges, wie die Hornhaut und die Linse, aberrationsbehaftet sind, ist der Fokus im hinteren Augenabschnitt verzerrt und die Schwellenergie heraufgesetzt.

In diesem Projekt sollen die Augenaberrationen mittels adaptiver Optik kompensiert werden, um einen minimalen Schwellwert für die Photodisruption zu ermöglichen. Zusätzlich soll ein optischer Kohärenztomograph zur präzisen Darstellung des Operationsgebietes integriert werden, so dass die Fokusposition im Auge genau eingestellt werden kann und die Schnittführung des Operateurs unterstützt wird. So soll ein Femtosekunden-Laserskalpell für die minimal-invasive vitreo-retinale Chirurgie im hinteren Augenabschnitt realisiert werden. Das Bild unten zeigt schematisch eine mögliche Anwendung zur minimal-invasiven Durchtrennung von epiretinalen Bindegewebsmembranen, die im Gegensatz zur derzeitigen Standardmethode der Vitrektomie, kein mechanisches Trauma mit daraus resultierender Trübung der Augenlinse verursacht und somit eine attraktive Alternativtherapie darstellt.

Arbeitsbereich Biophotonik

  • Advanced Imaging
    • Nichtlineare Techniken in der Mikroskopie
    • SHG, THG, Multiphotonen-Fluoreszenz
    • Optische Projektionstomographie
    • Optische Kohärenztomographie
    • Konfokale Streulichtmikroskopie
  • Zellmanipulation
    • Transfektion und Optoporation
    • Plasmonics für die Sub-μm-Manipulation von Zellen
    • Zellentkernung, Somatisches Klonen

Im Bereich der Biophotonik finden Untersuchungen auf zellulärer Ebene sowie im Bereich des Tissue Engineering statt. Einerseits werden verschiedene bildgebende Verfahren, wie Multiphotonen-Mikroskopie, Optische Kohärenztomographie, Optische Projektionstomographie und Streulichtmikroskopie genutzt, um Gewebe und einzelne Zellen auf verschiedenen Skalen darzustellen und zu charakterisieren. Andererseits werden ultrakurze Laserpulse zur gezielten Manipulation von Zellen eingesetzt, wie beispielsweise im Bereich des somatischen Klonens, um Zellbestandteile – in diesem Fall den Zellkern mittels Laser zu entnehmen. Weitere Anwendungsgebiete sind die lasergestützte Optoporation, bei der die Zellmembran von Zellen über Laser eröffnet wird, um das Einschleusen von Fremdmolekülen, wie DNA oder RNA, zu ermöglichen.

Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte

Industrieprojekte

Arbeiten innerhalb des TR37

  • Q1-Projekt zelluläre Lasermikroskopie: Einsatz von nichtlinearer und konfokaler Streulicht-Mikroskopie für die Gewebebildgebung, Kooperation mit der Universität Rostock
  • A2-Projekt Lasertransfektion von Stammzellen in Kooperation mit der TiHO, dem RWTH Aachen und der Universität Rostock

Arbeiten innerhalb von REBIRTH

  • AG Cell Surgery & W2 Biophotonics (Auszeichnung mit Certificate of Excellence nach interner Evaluation) Zellentkernung mit dem fs-Laser um Spenderzellkerne in diese Zellen einzuschleusen und so zu reprogrammieren (Kooperation AG Niemann)
  • Zelltransfektion zur Herstellung von lasergenerierten/-manipulierten Stammzellen (Kooperation AG Martin, AG Schambach, AG Bode)
  • Imaging von Gewebe und Gewebe-Konstrukten über verschiedenste Bildgebungstechniken

Abteilungsleitung

Dr. Tammo Ripken
Tel.: +49-511-2788-484
Email: t.ripken@lzh.de

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