Neue Generation photonischer Werkzeuge im Nanomaßstab entwickelt Laser heilen Chromosomen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neue Generation photonischer Werkzeuge im Nanomaßstab entwickelt

Laser heilen Chromosomen

Schnitte ausführen, die fast 2.000 mal feiner sind als die Breite eines Haares, Löcher bohren, die nur Millionstel Millimeter klein sind – unmöglich? Keineswegs. Denn Forscher haben eine neue Technologie entwickelt, die diese Leistungen problemlos erbringt. NanoCut erlaubt es den Wissenschaftlern mithilfe von gebündeltem Licht beispielsweise Chromosomenbereiche mit einem genetischen Defekt auszuschalten.

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Das Verfahren eröffnet aber auch noch weitere neue therapeutische Möglichkeiten, so die Forscher in der Fachzeitschrift „Nano Letters“. So könnte man die Hülle von Zellen anbohren, um sie für Medikamente durchlässiger machen. Auch in der Tumor-, Neuro- oder Augenchirurgie sehen die Forscher aus Jena und Saarbrücken Anwendungsfelder ihrer Methode.

Energie auf den Punkt gebracht

Laser gestatten es, große Energiemengen in einem extrem kleinen Punkt zu bündeln. Die auf diesen Punkt konzentrierte Energie verdampft die Materie an dieser Stelle, gleichgültig ob es sich dabei um Metall, Diamant, ein Haar, oder biologische Gewebe handelt. Auf diese Weise kann man mit der Energie des Laserlichtes schneiden, bohren und gravieren.

Auch menschliche Zellen oder gar einzelne Chromosomen lassen sich so mit Laserlicht bearbeiten. Bisher waren dem Schneiden mit Licht durch die Fokussierung des Laserstrahls jedoch Grenzen gesetzt. Kleiner als etwa 100 Nanometer konnte der Durchmesser eines mit dem Laser gebohrten Loches nicht sein.

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Nanopartikel als Antennen

Wolfgang Fritzsche vom Institut für Photonische Technologien (IPHT) Jena entwickelte nun gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Karten Koenig von der Saar-Universität und der Firma JenLab GmbH ein Verfahren, das die Energie des Lasers auf einen Punkt bündelt, der noch erheblich kleiner ist. Er nutzt kleinste Metall-Teilchen, so genannte Nanopartikel, als Antennen, die das Laserlicht einfangen.

Extrem kurze Lichtimpulse reichen aus, um ein solches Teilchen anzuregen, dieses zu erwärmen und damit ein präzises Loch in das Gewebe zu brennen. Die Größe dieses Loches hängt nun von der Größe des Nanopartikels ab und nicht mehr von der Wellenlänge des Laserstrahls. Sie kann deshalb prinzipiell von vorher rund 100 Nanometern auf zehn oder gar fünf Nanometer verringert werden.

„Optischer Knockout“

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„Wir können dabei unsere Nanopartikel so markieren, dass sie an eine von uns ausgewählte Stelle auf dem Chromosom binden“, erläutert Fritzsche. Das ermöglicht es zum Beispiel, gezielt Bereiche des Erbgutes, die einen genetischen Defekt tragen, auszuschalten. Die Wissenschaftler sprechen vom „optischen Knockout“. „Wir können dabei auch parallel arbeiten“, nennt Fritzsche einen weiteren Vorteil seiner Methode, „und verschiedene Stellen im Erbgut auswählen, an die dann gleichzeitig jeweils maßgeschneiderte Nanopartikel andocken können. Das restliche Chromosom bleibt völlig unverändert, das ist ebenfalls sehr wichtig.“

Die von Fritzsche und seinem Team am IPHT verwendeten Metall-Nanopartikel sind nur wenige Milliardstel Meter groß und aus Gold oder Silber. Maßgeschneiderte Partikel, die mit ausgewählten biologischen Eigenschaften, zum Beispiel der Bindungsfähigkeit an bestimmte Erbgutabschnitte oder Proteine versehen sind, können nicht nur wie beschrieben als Lichtantennen, sondern auch aus Sensoren in lebenden Geweben eingesetzt werden. „Damit haben wir eine neue Generation photonischer Werkzeuge im Nanomaßstab in der Hand“, so Fritzsche, „die ganz neue Ansätze in der Markierung und Untersuchung biologischer Proben erlauben.“

(idw – Institut für Photonische Technologien, 19.12.2007 – DLO)

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