Prof. Dr. Ferenc Krausz: Lichtpulse für die Medizin

Ultrakurze Laserpulse bieten ein enormes Potenzial für die Erforschung mikroskopischer Prozesse, mit weitreichenden Aus­wir­kungen für die Naturwissenschaften und Zu­­kunfts­technologien. Sie eröffnen neue Wege in der modernen Medizin.

Licht ist das Werkzeug des 21. Jahr­hun­­­derts. In der Medizin schneiden Chi­rur­­gen mit ausgeklügelten Lasersystemen schon heute zielgenau bis in tiefe Ge­­we­be­schich­ten, Onkologen detektieren Krebs­zellen und Augenärzte beheben Seh­­fehler. In der Chemie erkunden die For­scher mit Licht die Eigenschaften von Proteinstrukturen auf atomarem Maß­stab und in der Phy­­sik ist Licht der Schlüs­sel zur Er­­for­schung von Quan­ten­phä­no­menen des Mikro­kos­mos.
Am Max-Planck-Institut für Quanten­op­tik (MPQ) in Garching und an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat sich ein Team von rund 100 Wis­sen­schaftlern des MPQ/LMU Labors für Atto­sekundenphysik (LAP) auf die Erzeugung und Anwendung ultrakurzer Lichtpulse spezialisiert. „Ultrakurz“ bedeutet mitt­­lerweile eine Pulsdauer von weniger als 100 Attosekunden. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Se­­kun­de. In dieser Zeit legt Licht, das knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde schnell ist, nur die winzige Distanz zurück, die dem Durchmesser von drei Was­ser­stoff­atomen entspricht.
Attosekunden-Lichtblitze sind heute die kürzes­ten von Menschen kontrollierten Pro­zes­se. Sie sind im extrem ultraviolet­ten Spek­t­rum des Lichts angesiedet. Mit Hilfe von Attosekunden-Lichtblitzen ge­­win­­nen Forscher Einblicke in die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Fest­körpern. Elektronen spielen bei fast allen biologischen und chemischen Pro­­zessen eine zentrale Rolle, aber auch in der Elektronik sind sie unentbehrlich. Nur mit Attosekunden-Lichtblitzen ist es möglich, Bewegungen von Elektronen auf atomaren Skalen, also im Bereich von Zehntel-Nanometern, sichtbar zu ma­chen. Die dabei gewonnenen Einblicke in die fun­damentalen Prozesse der Natur könn­ten unter anderem zum besseren Ver­ständ­­nis der mikroskopischen Ur­­sach­en von Krank­­heiten und zur Identifizierung effektiver Heilmethoden, aber auch zur Ent­­wick­lung neuer Substanzen führen. Die Atto­se­kun­den-Messtechnik wird aber auch eine zen­­trale Rolle spielen bei der Weiterführung der modernen Elektronik an ihre ultimativen Ge­­schwin­dig­keits­gren­zen.
Den Schlüssel zur Erzeugung dieser Licht­blitze und Zeitmessungen auf der Atto­sekunden-Zeitskala bilden Kräfte, die das elektromagnetische Feld von sichtbaren und nahen infraroten Laserpulsen auf Elektronen ausübt. LAP-Wissenschaftler konnten – mit Hilfe der nobelpreisgekrön­ten Frequenzkammtechnik von Pro­fes­sor Theodor Hänsch – diese Kräfte erstmals „zähmen“, indem sie die Laserpulse mit wenigen, präzise kontrollierten Licht­­schwin­­­­gungen erzeugten. Diese Laser­pul­­se haben eine Dauer von wenigen Fem­tosekunden (eine Femtosekunde = 1.000 Attosekunden). Die elektromag­ne­­ti­­sche Kraft, die sie auf Elektronen aus­­üben, ist erstmals präzise auf der Atto­­­se­kun­den­-Zeitskala kontrolliert. Sie er­­laubt somit die Steuerung von Elek­­tro­nen­be­we­gun­gen in atomaren Syste­men.

 

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Stattet man die Femtosekundenpulse nun mit hoher Energie aus, so kann man mit ihnen auch vielversprechende neue An­­­wendungen im Bereich der Medizin er­­schließen. Konzentriert man beispiels­­wei­se die Energie von Licht in Pulsen von rund zehn Femtosekunden Dauer, dann erreichen diese eine Leistung von weit über einem Terawatt. Das währt zwar nur extrem kurze Zeit, dennoch liefern solche Multi-Terawatt-Femto­se­kun­den­pul­se eine zehntausendmal höhere Leis­tung als ein modernes Atomkraftwerk. Die gi­­gantischen elektrischen und mag­­ne­ti­schen Kräfte, die die Lichtfelder in­­ner­halb dieses Zeitintervalls ausüben, sind in der Lage, geladene Teilchen, wie et­­wa Elektronen, Protonen oder Ionen, zu steu­­­ern und zu kontrollieren. Bei den Elek­tro­­nen sind die Kräfte des Lichts fä­­hig, sie fast bis auf Licht­ge­schwin­dig­keit zu be­­schleunigen. Diese dann hoch­­ener­ge­ti­schen Elementarpartikel können dazu eingesetzt werden, Rönt­gen­strah­lung zu produzieren. Röntgenstrahlung hat sich seit ihrer Entdeckung durch Wilhelm Con­­rad Röntgen im Jahr 1895 zu ei­­nem unentbehrlichen Hilfsmittel in den Le­­bens­wissenschaften und der Me­­di­zin ent­wickelt. Trotz des enormen Er­­folgs stößt die konventionelle Rönt­gen­dia­gnos­tik bei der Untersuchung von Weich­ge­we­be­teil­chen, wie etwa Tumoren in gesundem Ge­­webe, an ihre Grenzen.

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Diese Lücke könnte in der noch jungen Epo­che der lasergetriebenen Rönt­gen­strahl-Erzeugung geschlossen werden. Zum ersten Mal dienen jetzt Terawatt-Laserpulse zur Produktion der Strah­lung. Die Technik, die zurzeit im MPQ/LMU-La­bor für Attosekundenphysik entwickelt wird, ermöglicht es, eine völlig neue Qua­li­tät von Röntgenstrahlung mittels Laser­licht zu erreichen. Man spricht hier von „brillanter Strahlung“. Dabei werden die Röntgenstrahlen stark gebündelt (das heißt vor­­wiegend in eine Richtung aus­ge­strahlt) und haben eine gut definierte Wel­len­länge. Die brillante Strahlung würde die Mediziner in die Lage versetzen, auch nur Millimeter große Strukturen, wie et­­wa Tu­­mo­re im Anfangsstadium, zu identifi­zie­­ren, wie jüngste Forschungen von Münch­ner Wissenschaftlern im Rahmen des Ex­­­zellenzclusters Munich Centre for Ad­­vanced Photonics (MAP) gezeigt haben. Bei solchen Tumoren ist die Meta­sta­sie­r­ungswahrscheinlichkeit noch sehr ge­­­ring. Durch eine lokale Therapie mittels eben­falls lasergenerierten Protonen- oder Ionenstrahlen verbessern sich so die Hei­lungschancen um ein Vielfaches. Neben der Frühdiagnose erhofft man sich von Bildgebungsverfahren mit brillanten Rönt­genstrahlen auch eine deutlich geringere Dosisbelastung für die Patienten.
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Brillante Röntgenstrahlung wird bereits heute von kilometergroßen Be­­schleu­ni­geranlagen zur Verfügung gestellt. Diese herkömmlichen Anlagen sind kostspielig und im täglichen medizinischen Ge­­brauch nicht einsetzbar. Lichterzeugte Rönt­gen­strahlung könnte das ändern. Die physi­ka­lischen Grundsteine für die laserbasier­te Erzeugung von Rönt­gen­strahlung in kom­­pakten Ge­­räten sind ge­legt. Nun gilt es, die Grund­la­gen­forschung in an­­wen­dungs­orientierte Pro­jek­te zu transpor­tie­­ren. Dieser Schritt soll mit dem neu ge­­plan­ten Centre for Advanced Laser Ap­­plications (CALA) vollzogen wer­den. Das neue Forschungszentrum auf dem Cam­pus Garching soll im Rah­men des Ex­­zel­­lenzclusters Munich Centre for Ad­­van­­ced Photonics entstehen und von Wissenschaftlern der Ludwig-Ma­xi­­mi­li­ans-Universität und der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät München geführt wer­­den.
CALA wird einen hochmodernen Kurz­pulslaser beherbergen. Das System soll vor allem dazu eingesetzt werden, die biomedizinische Bildgebung mit hochbrillanten Röntgenstrahlen voranzutrei­ben sowie für die Tumortherapie Protonen- und Kohlenstoffstrahlen aus kompakten, lasergetriebenen Quellen zu produzieren. Die neuen, laserbasierten Systeme, die vom LAP-Team entwickelt werden, sollen künftig die Erzeugung von brillan­ten Rönt­gen- und Teilchenstrahlen in Labor­di­men­sio­nen bündeln. Da­­durch werden sie we­­­sentlich kos­ten­günstigere An­­­­­wen­dungs­mög­­­lichkeiten eröffnen und die Be­­hand­lungs­me­thode einem weit­aus grö­­ßeren Kreis von Patienten zugäng­­lich ma­­chen. CALA wird den heu­te schon heraus­ra­gen­­den und weltbekannten Stand­ort Münch­en für die La­ser­wis­senschaften und optische Tech­no­lo­gien stärken und hochqualifizierte Arbeitsplätze schaffen.

Ferenc_Krausz_public_keinDer 1962 im ungarischen Mór geborene Autor ist seit 2003 Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Lei­ter der Abteilung Attosekunden- und Hoch­feldphysik. 2004 übernahm er zu­­dem ei­­nen Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität Mün­­ch­en. Seit 2006 ist Ferenc Krausz Sprech­er des Exzellenzclusters Munich Centre for Ad­­vanced Photonics (MAP).

 

 

Thorsten_NaeserThorsten Naeser hat Phy­­sische Geogra­phie an der Ludwig-Ma­xi­milians-Univer­si­­­­­­­­tät Mün­­­chen studiert. Nach sei­nem Stu­­­­­­­­­­di­­um arbeitete er fünf Jahre als frei­­­­­er Wis­­­­­­­­senschaftsjournalist und Foto­graf. Schwer­­­punkte lagen dabei auf na­­­tur­wis­­­­­sen­schaft­lichen, medizinischen und ar­­­­chä­o­logischen Themen. Seit 2008 ar­­­bei­­tet er am MPI für Quantenoptik in Gar­­­­ching als Referent für Öffent­lich­keits­­­­arbeit.