Aktuelles Kurzprofil der Forschungsaktivitäten des Institutes für Lasermedizin Prof. Dr. P. Hering Prof. Dr. R. Mannhold / Prof. Dr. H. Lemoine Dr. A. Vervoorts

Anmerkung:
Diese kurze Zusammenfassung der momentanen Forschungsaktivitäten unseres Institutes (ohne Publikationsliste und Drittmittelaufstellung) ist zur schnellen Orientierung gedacht. Sie soll Interesse wecken und Anstoß geben, mit uns Kontakt aufzunehmen. 
Tel: 0211 811 2762, Fax: 0211 81 11374 
http://www.uni-duesseldorf.de/WWW/MedFak/LaserMedizin/
 

Diese Arbeitsgruppe beschäftigt sich intensiv mit den physikalischen Grundlagen von ausgewählten Themen der Lasermedizin und mit den daraus resultierenden Anwendungen. Schwerpunkte bilden insbesondere der analytische und diagnostische Einsatz des Laser in der Biomedizin. Neuere Kernpunkte der Forschung sind die Laserlicht-Gewebe-Wechselwirkung von Hart- und Weichgewebe mit neuen, selbstentwickelten Laserlichtquellen sowie die Entwicklung neuer nichtlinearer laserspektroskopischer Methoden wie z.B. die Zwei- und Mehrphotonenspektroskopie für die Anwendung in der 3D-Laser-Raster-Mikroskopie oder die „Cavity-Ring -Down-Spektroskopie“ zur ultrahochempfindlichen Spurenelementanalytik z.B. in Atemgas oder Umwelt. Derzeit sind Anstrengungen im Gange, eine „Laser-Facilty“ im Institut für Lasermedizin zu errichten, die zukünftig für allgemeine lasermedizinische Anwendungen mit der entsprechenden Beratung für Mitglieder der medizinischen Einrichtungen der HHUD offen sein soll. Folgende Leitprojekte sind derzeit in Gange: 
 
 

I. Stabile Isotope in der Medizin (Analytik und Isotopentrennung):

• Hochempfindliche isotopenselektive Analytik mit den stabilen, NICHT-radioaktiven Isotopen ¹³C, ¹²C, ¹⁵N: Dieses Projekt läuft seit mehreren Jahren sehr erfolgreich und hat die klinische Analytik und Diagnostik mit ¹³C markierten Substanzen weltweit revolutioniert. Mit Hilfe der nichtdispersiven, isotopenselektiven IR Spektroskopie ist es erstmalig auf einfache und preiswerte Weise gelungen, Stabilisotopendiagnostik in die ärztliche Praxis und Klinik zu bringen. Dieses Verfahren ist bereits kommerziell erhältlich und weltweit vielfach plaziert. Hauptanwendung ist derzeit der Nachweis von Helicobacter pylori und Leberfunktionstests. Zur Zeit wird das optische Verfahren bei uns vereinfacht und für on-line Anwendungen weiter entwickelt (Intensivmedizin, Neugeborenenüberwachung). Anwendung für NO in der Atemluft sind ebenfalls in Gange.

• Im Zusammenhang mit den neuen Nachweisverfahren wird ein neues innovatives Laserverfahren zur Herstellung von ¹³C und später zur Synthese von ¹³C markierten Substraten verfolgt. Das bereits von uns demonstrierte Laserisotopentrennverfahren basiert auf der molekularen Laser-gestützten isotopenselektiven IR-Multiphotonendissoziation (Kooperation mit Prof. Uhlenbusch). 

II. Gewebe-Ablation mit einem hochrepetierlichen, gütegeschalteten CO₂ Laser:

• Hocheffektives Schneiden von Knochen für die kranofaziale Chirurgie und Zahnbearbeitung mit akustooptischer Kontrolle (Kooperation mit diversen Kliniken)

• Transmyokardiale Laser-Revaskularisierung (TMLR)

Bei diesem Projekt wird der völlig neue Ansatz verfolgt, Laserlicht mit hoher Pulsenergie und Durchschnittsleistung durch Flüssigkeiten in hochflexiblen Schläuchen zu leiten, insbesondere für den Er:YAG-Laser bei 2,94 µm (gezielt gefördert durch das BMBF). Die unproblematische spektrale Erweiterung ins UV ist derzeit im Gange für neue Anwendungen wie z.B. für die TMLR mit Excimer-Lasern. Mit diesen Lichleitern sind Energiedichten von > 100 J/cm² an distalen Ende erreicht worden bei Durchmessern von 0,5 mm und einigen mm Biegeradius. 
 

I. Wirkstoff-Synthese/stabile Isotope: 

KATP-Kanäle und Kaliumkanalöffner: In den letzten beiden Jahren ist es gelungen, Radioligandbindungsverfahren an Herz und glatter Muskulatur zu etablieren, die Rückschlüsse auf die ATP-abhängige Regulation des KATP-Kanals durch Bindung von Liganden an den Sulphonylharnstoffrezeptor ermöglichen (s.o.). 

ß2-Sympathomimetika: Es werden neue Wirkstoffe entwickelt und charakterisiert, die in zellulären und subzellulären Modellsystemen von Tier und Mensch untersucht werden. Im Zentrum steht die Analyse der Hormon-Rezeptor-Interaktion mit Hilfe eines Agonist-Radioliganden, der eine ausreichend hohe Affinität aufweist. Dieser Ligand steht unserer Arbeitsgruppe exclusiv zur Verfügung. Die computergestützte Analyse von Hormonbindungs- und -dissoziationskinetiken erlaubt wesentlichen Einblickt in den Aktivierungszyklus der beteiligten Rezeptoren. Ebenso können Hormon-induzierte Desensibilisierungsmechanismen (Therapieversagen) direkt untersucht werden. Kooperationen bestehten zu Prof. Dr. Reinhardt, LM-Uni München, und Prof. Dr. Worth, Fürth. 

Serotoninrezeptoren. Serotonin ist wesentlich an der Entstehung von Gefäßspasmen über 5-HT2-Rezeptoren bei arteriosklerotischen und postthrombotischen Zuständen beteiligt. Es ist in den letzten beiden Jahren gelungen ein Zellkulturmodell glatter Gefäßmuskelzellen aufzubauen, welches den Beweis einer allosterischen Regulation des Rezeptors erlaubt. 

Regulation des Gefäßendothels: ß2-Sympathomimetika sind hocheffektive Regulatoren der Gefäßpermeabilität mit einem Angriffspunkt am Endothel (Kooperation mit Prof. Dr. Rösen und Frau Dr. Zink, DFI). Die Durchlässigkeit und deren Regulation wird durch die Permeation FITC-markierter Dextrane gemessen, die ihrerseits mit einer Laser-induzierten Fluoreszenz (Entwicklungsprojekt mit Dipl. Ing. A. Rood, Lasermedizin HHU) nachgewiesen werden sollen. 

Weiterhin werden die bei septischen Krisen dominierende Cytokin-induzierte Permeabilitätssteigerung am Endothel bestimmt sowie der Antagonismus schützender (z.B. über ß2-Rezeptoren) und aggressiver Faktoren molekular untersucht (Kooperation mit Prof. Dr. Scharf, Inst. für Transfusionsmedizin HHU, Prof. Dr. Schneider, Dr. Weiss, Uni Ulm). 
 
 

Bei exakter biologischer Charakterisierung von Wirkung oder Bindung des Wirkstoffes und Bestimmung von sterischen, elektronischen und lipophilen Moleküleigenschaften können Struktur-Wirkungsbeziehungen (Hansch-, Free/Wilson-und partial least squares-Analyse) abgeleitet werden, die die Natur der ‘drug-receptor-interaction’ verdeutlichen und möglicherweise neue Wirkstrukturen für die chem. Synthese vorhersagen lassen (Kooperation mit dem Inst. f. Chemiometria, Perugia, I). Ebenso sind rational variierte Reihen von Wirkstoffen für einen ausgesuchten Rezeptor die Grundlage für ‘molecular-modelling’-Verfahren, die mit Prof. Höltje (Inst. f. pharm. Chemie) durchgeführt werden. 

Die Arbeitsgruppe hat in den vergangenen 5 Jahren wesentliche Beiträge zum Design von Photosensibilisatoren für die Photodynamische Therapie von Tumoren geliefert. Diese Arbeiten werden mit dem Ziel der Anwendung solcher Produkte in Phase I-Studien in der Klinik weitergeführt (Produktion von Bacteriopheophorbidestern für die Behandlung von Tumorfrühstadien-BioRegio-Projekt in Planung). In den letzten 3 Jahren wurde im Rahmen eines BMBF-Projekts der Einschluß derartiger Verbindungen, insbesondere peripher substituierter Phthalocyanine, in dimere Cyclodextrine studiert. Für Porphyrine wurden entsprechende und wesentlich verbesserte Substitutionen im Rahmen einer Kooperation mit Russland (Medizinische Akademie der Wissenschaften, Prof. Dr. Ponomarov) soeben abgeschlossen. Die erhaltenen Einschlußverbindungen sind stabil genug, um den Übergang des Gastmoleküls auf Lipoproteine des Serums zu verhindern. Damit ist ein Weg gewiesen, stabile Einschlußkomplexe für den Transport von Tumormedikamenten auf dem Blutweg zum Tumor ohne Nebenwirkungen in anderen Organen zu entwickeln. Dies ist Aufgabe einer laufenden Dissertation (mit Unterstützung durch die Forschungskommission der Med. Fakultät). Das Andocken und die Aufnahme dieser Einschlußkomplexe an und in Tumoren kann über das Biotin-Avidin-System anhand der Spezifität von Antikörpern, aber auch von hormonaktiven Peptiden und Steroiden, erfolgen. Hierzu laufen Arbeiten zusammen mit Prof. Dr. Savitzki (Russische Akademie der Wissenschaften, Labor für Molekulare Immunologie, Moskau) und Prof. Dr. Yakubovskaja (Hertzen Institut für Krebsforschung, Moskau) im Rahmen der Russland-kooperation der DFG. Ein weiteres Projekt zur Zusammenarbeit mit dem Weizmann Institute of Science (German-Israelian Foundation, GIF) ist soeben genehmigt worden. 
 
 

Die im Rahmen dieser Arbeiten entwickelten Prüfverfahren für Cytotoxizität und Cytophototoxizität sind Ergebnis einer Routine, die sich in den letzten 5 Jahren entwickelt hat und jetzt für Zwecke der Darstellung der Apoptose weiterentwickelt wird (zusammen mit Prof. Savitzki). Das Labor prüft mit dieser Routine regelmäßig Farbstoffe für die Photodynamische Tumortherapie aus verschiedenen deutschen und ausländischen Labors. Hierfür stehen 5 verschiedene Tumorzellstämme zur Verfügung. Prüfparameter ist die Lactatproduktion dieser Tumorzellen. Ein weiteres Prüfverfahren ist die schmerzfreie Prüfung von Tumortherapeutica auf dem Hühnereisystem (HET-CAM), die bei uns als quantitatives Verfahren unter Einbeziehung der Laser-Doppler-Spektroskopie seit 4 Jahren eingeführt ist. Eine Neukonzeption des Meßverfahrens durch Frau Dr. A. Vervoorts und Prof. Dr. Priezzhev (Lomonossow-Universität, Moskau) wird durch die Fa. LEICA Mikroskope & Systeme begleitet (Projekt des BMBF). Wir hoffen, daß die Förderung durch die Forschungskommission der Med. Fakultät zur Erhaltung dieses Projekts gewährt wird. 
 

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Die Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren eine weltweit bedeutsame Position in der biomedizinischen massenspektrometrischen Analytik eingenommen. Neben instrumentellen und methodologischen Entwicklungen sind insbesondere auch die Anwendung der analytischen Methoden auf biomedizinische Fragestellungen auf breite Anerkennung gestoßen. 
 

Mit der sogenannten "MALDI"- und "PSD-MALDI"-Massenspektrometrie ist der Nachweis (über Molekulargewichts-Bestimmung) und die Identifizierung (über Primärstrukturanalyse) von Biomolekülen (Peptide, Proteine, DNA/RNA, Kohlenhydrate, Konjugate etc.) geringster Substanzmengen (Nachweisgrenze im Bereich von 30 fmol) aus heterogenen, natürlichen Systemen heraus möglich. Neben den fortgeführten Entwicklungsarbeiten zur Verbesserung der Methode konzentriert sich ein zunehmender Teil der Arbeiten auf die biologisch und klinisch relevante Anwendung der Methode. Bereits laufende oder in Kürze beginnende Kooperationen innerhalb der Universität betreffen die Entwicklung von Tumorvaccinen (PD Dr. P. Wernet, Knochenmarkspenderzentrale), die Analytik von MHC-Peptiden (Dr. Dillo, Prof. Burdach, Kinderklinik; Dr. Dall, Prof. Bender, Frauenklinik), die Analytik von Membranproteinen (Dr. Herrmann, Prof. Schrader, Physiologie), die Allergen-Analytik (Prof. E. Gleichmann, MIU), die Prionen-Forschung (Prof. Riesner, Phys. Biologie), die Analytik synth. Polymere (Prof. Wulff, Org. Chemie), die Identifizierung von Carotenoiden und Retinylestern (Prof. Sies, Physiol. Chemie) und die Analytik biotechnologischer Produkte (Prof. Hollenberg, Mikrobiologie). Weiter Projekte mit externen Kooperationspartnern (Marienhospital Herne, MPI Göttingen, MPI Dortmund, Univ. Bochum, Univ. Curie Paris, TNO Zeist, ETH Zürich, CNRS Orsay) betreffen Entwicklungsarbeiten zur Erarbeitung der Zugänglichkeit neuer Substanzklassen und zur Nutzung neuer Präparationstechniken. 
 

Die "LAMPAS"-Methode ermöglicht die Identifizierung einzelner luftgetragener Partikel im sub-Mikrometerbereich. Die Arbeiten der Arbeitsgruppe konzentrieren sich auf die methodische und instrumentelle Entwicklung dieser laser-basierten Technologie, sowie auf deren Anwendung im medizinischen Bereich (Toxikologie, Allergologie etc.) Zur Zeit laufen Voruntersuchungen zur Charakterisierung von Automobil-Abgas-Partikeln, sowie von Hausstäuben in der Atemluft. 
 

Die "LAMMA"- Technologie beinhaltet die analytische Mikroskopie auf der Basis der Laser-Massenspektrometrie. Sie erlaubt die rasternde, bildgebende Analytik von technischen, biologischen und medizinischen Proben mit einer Ortsauflösung im Bereich von 0.6 µm. Damit sind subzelluläre Konzentrationsverteilungen von Spurenelementen bestimmbar. Neuere Zielrichtung der Arbeitsgruppe ist die Erweiterung der Methode für den ortsaufgelösten Nachweis und die Identifizierung von Biomolekülen, analog zur (nicht-ortsaufgelösten) MALDI und PSD-MALDI-Technologie. Auch auf diesem Arbeitsgebiet existieren Kooperationen innerhalb der Universität und mit externen Partnern (Prof. R. Caprioli, Univ. Texas, Houston). 
 

Die laufenden Arbeiten werden momentan gefördert vom BMBF, von der EU, dem MWF Nordrhein-Westfalen und von den Medizinischen Einrichtungen. In der Arbeitsgruppe sind neben dem Leiter gegenwärtig 2 Postdocs, 8 Doktoranden/innen und ein Diplomand tätig. 

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