Auch von meiner Seite noch mal einen schönen guten Morgen. Ich finde es toll, dass Sie trotz winterlicher Temperaturen, Schnee draußen, aber immerhin bei Sonne ja dann doch den Weg heute Morgen hier gefunden haben. Das freut mich sehr.
Ich bin Physiker, das hat Florian schon erwähnt, und wir beschäftigen uns aber mit biologischen Systemen und hoffen, dass wir da Erkenntnisse gewinnen, die am Schluss auch irgendwas in der Medizin verbessern können.
Und da kann man sich natürlich schon die Frage stellen, was macht eigentlich ein Physiker in der Medizin?
Warum machen die Physiker nicht die Physik und die Biologen machen die Biologie und die Mediziner machen dann die Medizin?
Das ist sozusagen der Untertitel meines Vortrags heute. Es gibt noch einen anderen Titel, Fühlen mit Licht, vielleicht noch ein bisschen obskurer.
Darauf gehe ich später ein. Ich möchte erst einmal mit der Frage anfangen, warum Physik, was hat die Physik der Medizin zu bieten, wie kommt das zusammen?
Es gibt das sehr schöne historische Beispiel, ich hole mal ein bisschen aus.
Wilhelm Konrad Röntgen hat Ende des vorletzten Jahrhunderts in Würzburg, nicht weit von hier, die Röntgenstrahlen entdeckt.
Der ist Physiker, der hat sogar den ersten Physiknobelpreis bekommen.
Das war erst einmal ein sehr seltsames Phänomen, das man da nachgegangen ist und gemerkt hat, es gibt Strahlen, die wir noch nicht kannten.
Und die können durch Materie durchdringen und werden aber dann abgeschwächt, je nachdem wie dicht diese Materialien sind.
Aber man kann zum Beispiel durch Haut, durch Gewebe durchgucken, kann sich dann die Knochen in einem intakten Körper anschauen.
Das hatte natürlich unmittelbare große Brisanzrelevanz für medizinische Anwendungen.
Man kann sehen, ob Knochen gebrochen sind zum Beispiel.
Und da ist in einem Slide innerhalb von einer Minute der Zusammenhang zwischen dem, was Physiker machen
und wie das, was Physiker machen, dann auch vielleicht einen Impact hat im Bereich der Medizin dargestellt.
Ich möchte ein bisschen weitermachen mit diesen Röntgenstrahlen, weil man kann damit nicht nur direkt in der Medizin durch Körper durchgucken.
Man kann auch Röntgenstrahlen dafür verwenden, um periodische Strukturen auf kleinster Skala aufzulösen.
Röntgenstrahlen haben sehr kurze Wellenlänge, damit kann man auch in diesem Bereich Strukturen auflösen.
Es gibt auch Physiker, die sich damit auseinandergesetzt haben, zum Beispiel der Herr Bragg,
der auch wiederum einen Nobelpreis dafür bekommen hat, wie Röntgenstrahlen an Kristallen gestreut werden.
Man kann auch organische Materialien zu Kristallen formen und dann die Struktur auflösen.
Man kann zum Beispiel auch DNA, als DNA Kristalle formen und dann damit auch die sehr komplexe Struktur von DNA auflösen.
Das ist ein Röntgenstreuungsbild, das Russell Franklin und Maurice Wilkins aufgenommen hatten.
Das war in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts.
Aus diesem Bild ist es etwas komplex, da wirklich die Struktur auszulesen.
Das ist dann das, was diese beiden Herren geschafft haben.
Auch wiederum in Cambridge, James Watson, Biologe, Francis Crick, Physiker.
Die haben damit herausgefunden, wie die DNA gebaut ist.
Da gab es sehr widersprüchliche Ideen vorher.
Die konnten uns dann erst einmal zeigen, dass es eine Doppelhelix ist,
dass da die Anordnung der Basenpaare in einer gewissen Abfolge und so weiter stattfinden.
Und damit im Grunde die molekular-biologische Revolution losgetreten.
Über ein paar Ecken, das hat eine Zeit lang gedauert, Physiker entdecken Röntgenstrahlen,
kriegen damit heraus, wie man Strukturen auflösen kann, kann dann sogar Strukturen von komplexen organischen Molekülen,
wie der DNA, auflösen und lernt dann, wie der genetische Code funktioniert,
wie Informationen über Generationen in der Biologie weitergegeben werden können.
Also ein unheimlicher Beitrag der Physik, nicht nur unmittelbar für die Medizin,
sondern auch für das intensivere, bessere Verständnis der Biologie.
Die Biologie heutzutage baut immer noch genau darauf auf.
Es gibt eine sogenannte zentrale Dogma der molekular-Biologie, das besagt,
man hat die DNA, da ist die genetische Information gespeichert,
diese DNA wird ausgelesen, in eine andere Form überführt, in RNA,
das Einzelstrand, also ein einzelner Strang, und diese RNA kommt dann aus dem Kern raus
und wird dann im Rest der Zelle durch sogenannte Ribosomen in Proteine übersetzt.
DNA macht RNA, macht Protein, das ist genau das, was das zentrale Dogma der molekular-Biologie aussagt.
Und das ist das, womit sich Biologen heutzutage fast ausschließlich beschäftigen.
Welche Gene haben mit welchen Proteinen zu tun, was passiert, wenn man die Gene verändert,
wenn man die aus der Zelle rausnimmt, was passiert dann mit der Zelle, was passiert mit einem Organismus.
Das hat die letzten 60 Jahre dominiert. Es gibt wahnsinnige Fortschritte im Bereich,
den genetischen Code auszulesen, also nicht nur einmal für eine Person,
sondern heutzutage wirklich für jeden, sehr schnell, sehr billig.
Alle möglichen Organismen, man kennt den kompletten genetischen Code,
quantifizieren, wie viel von dieser RNA in der Zelle zum Beispiel zu jedem Zeitpunkt vorhanden ist,
also welche Gene gerade ausgelesen werden, man kann quantifizieren, wie viele Proteine da sind.
Es ist eine unheimliche Information, das Menge, die mittlerweile zur Verfügung steht.
Und das ist das, mit dem sich Biologen auseinandersetzen.
Es ist unglaublich, unfassbar, was man auf dem Niveau machen kann.
Und jetzt kommt das Aber des Physikers. Aber ich glaube nicht, dass man rein aus dieser Informationsquelle,
rein auf dieser molekularen Ebene herausfindet, wie Zellen wirklich funktionieren, umfassend funktionieren
und wie daraus Organe werden und wie daraus Menschen und Tiere werden.
Ich glaube nicht, dass es ausreicht, in die Zellen reinzuschauen, zu gucken, wo welche Moleküle sind
und wie viel davon da ist. Weil ein Protein, das ist so klein, dass das selber zum Beispiel nichts damit,
also das einzelne Protein, nichts damit zu tun hat, wie sich eine Zelle bewegt, wie sich eine Zelle teilt,
wie eine Zelle mit der Umgebung kommuniziert und so weiter.
Das sind Abstraktionsebenen, die dazwischen liegen, die wir erst noch herausfinden müssen.
Und das ist ein Beitrag, den die Physik leisten kann, um auch das Verständnis der Biologie weiter voranzutreiben.
Ein Kollege von mir, ein Biologe in Clemetsch, hat es mal so illustriert.
Was die Biologie macht im Moment, ist so ähnlich wie sich in ein Flugzeug reinsetzen ins Cockpit
und dann die Frage beantworten zu versuchen, warum fliegt eigentlich ein Flugzeug.
Biologen sitzen im Cockpit und spielen mit den Schaltern rum und gucken, was dann passiert.
Und wenn man einen Schalter erwischt und das Flugzeug abstürzt, dann weiß man, okay, dieser Schalter ist wichtig.
Das ist die Biologie übersetzt, wenn man schaltet ein Gen aus und die Zelle stirbt.
Das ist anscheinend wichtig für irgendwas.
Das ist das Niveau, auf dem die Biologie heute operiert.
Man kann das schon machen, man kann damit irgendwie herausfinden, wie dieses Flugzeug fliegt.
Man muss wissen, welche Knöpfe da gedrückt sind, damit das Flugzeug in der Luft bleibt,
damit man eine Kurve fliegt, rauf und runter kommt, landen kann und so weiter.
Kann man vielleicht irgendwie herausfinden.
Eine ganz andere Rangehensweise, um die gleiche Frage zu beantworten,
wenn man nämlich ein paar Schritte zurückgeht und sich so ein Flugzeug mal von außen anschaut.
Es gibt eine gewisse Form, es gibt da Flügel dran, es gibt irgendwelche Turbinen, Propeller.
Dann kann man sich darüber Gedanken machen, diese Propellerturbinen, die haben einen gewissen Vortrieb.
Dann gibt es aber auch Reibungen, was das Flugzeug zurückhält.
Insbesondere diese Flügelform ist interessant, weil die so gebaut ist, dass die Luft an der Oberseite komprimiert wird,
also schneller sich bewegt und dadurch entsteht hier ein Unterdruck.
Das ist die Kraft, die Auftriebskraft, die das Flugzeug nach oben hebt.
Die muss groß genug sein, dass die Gravitation es nicht nach unten zieht.
Das ist eine ganz andere Beantwortung der Frage, warum fliegt eigentlich so ein Flugzeug,
als sich darüber Gedanken zu machen, was im Cockpit genau passiert.
Das Interessante ist, ein anderes Flugzeug, eine andere Bauart würde genauso funktionieren,
aber die Knöpfe im Cockpit sind vielleicht ganz anders.
Und diesen Zusammenhang zwischen den Knöpfen und was hier auf größerer Skala passiert ist herauszufinden,
ist die große Aufgabe, die die Biologie vielleicht mit Hilfe von Physikern versichert.
Man kann es ein bisschen vergleichen mit, das ist die molekulare Kontrolle auf der Ebene von Genen und Proteinen in der Zelle.
Aber um eine Zelle komplett zu verstehen, was sie treibt, muss man auch mitnehmen,
die groben, großkaligen physikalischen Eigenschaften der Zelle, Kräfte, die da auftreten, mechanische Eigenschaften usw.
auf einer ganz anderen Beschreibungsebene.
In meinem Verständnis ist das die nächste Revolution in der Biologie.
Dass man wegkommen wird von der Chemie von einzelnen Molekülen, die miteinander in der Zelle interagieren,
dahin, dass es emergente physikalische Eigenschaften gibt auf zellulärer Ebene,
die eben auch wichtig sind, um eine Zelle komplett zu verstehen.
Wenn das jetzt total abgefahren und nicht verständlich war,
möchte ich das, was wir in unserer Gruppe treiben,
also das ist das, was wir mit vorantreiben wollen, dieses Verständnis auf zellulärer Ebene von physikalischen Eigenschaften.
Wenn das jetzt zu abgefahren war, möchte ich mal ein ganz anderes Beispiel bringen.
Tomaten.
Wir stehen im Supermarkt, wir wollen Tomaten kaufen.
Es ist relativ einfach, die zu finden.
Da gibt es diese Obst- und Fruchtabteilung.
Da kann man sich umgucken. Man identifiziert Tomaten.
Oft daran, dass sie rot sind.
Eine gewisse Form, oben dieses grüne Zeug dran.
Das ist eine optische Messung.
Da kann man sich schon orientieren, finde die Tomaten.
Was ich jetzt hier an der Seite habe,
ist, dass man sich hier an die Tomaten orientieren kann.
Was macht man dann?
Was machen Sie, wenn Sie im Supermarkt stehen, Tomaten kaufen wollen?
Und die guten von den schlechten vielleicht unterscheiden wollen?
Schauen, wo sie herkommen, ist auch gut.
Es ist aber immer noch eine optische Messung.
Man kann dann an der einzelnen Tomate noch nicht erkennen, ob die gut oder schlecht ist.
Aber anfassen ist gut.
Anfassen, dran rumdrücken.
Gucken, ob die nachgibt oder nicht.
Ob die fest ist oder nicht.
Mechanische Messungen.
Riechen ist auch gut.
Riechen geht in die Richtung der chemischen Analyse.
Man kann sich im Detail diese Tomaten zerlegen.
Man kann da chemische Analysen fahren.
Dann sagen, da ist zu viel von dem oder jedem drin.
Das ist dann wieder diese molekulare, biologische Information.
Aber man gewinnt auch eine Menge Informationen,
dass man die ganze Tomate nimmt und kurz dran rumtrippt.
Das ist im Grunde genau das, was wir mit Zellen machen.
Das ist auch das, was zum Teil Ärzte machen.
Wenn Ärzte ein guter Arzt würden, würde er auch Patienten immer anfassen.
Immer gucken, wie sich Gewebe anfühlen.
Man kann Tumore in der Brust zum Beispiel durch Ertasten ausfindig machen.
Es gibt wichtige Informationen, die über eine einfache mechanische Messung zu haben sind.
Das ist genau das, was wir auf zelluläre Ebene runterziehen wollen.
Wir wollen uns angucken, wie sich einzelne Zellen anfühlen.
Das ist eine physikalische Messung.
Wie verändern sich diese physikalischen Eigenschaften, wenn die Zelle sich verändert?
Und kann man daraus etwas lernen, zum Beispiel für eine medizinische Anwendung?
Das große Bild, das wir in der Gruppe vorantreiben, ist, Methoden zu entwickeln, um genau das zu machen.
Wie misst man überhaupt die Steifheit von einer Zelle?
Zellen sind sehr klein, die haben einen Durchmesser von einem Zehntel von einem ihrer Haare.
Man braucht ein Mikroskop, um die zu sehen.
Wie will man da die Mechanik messen? Man kann die ja nicht in die Hand nehmen.
Wie auch immer diese Methoden dann ausschauen,
damit versuchen wir Zelle als physikalische Objekte zu verstehen.
Wie weich, wie steif sind die? Was haben die für einen Brechungsindex?
Was haben die für eine Viskosität? Was hat das vielleicht mit Zellfunktionen zu tun?
Müssen die weich oder steif sein? Müssen die einen hohen Brechungsindex haben oder nicht?
Um ihre biologische Funktion ausführen zu können.
Und wenn da irgendetwas rauskommt, wenn man merkt, okay, was weiß ich, gewisse Art Zellen sind immer besonders weich,
andere sind immer besonders steif, kann man das vielleicht auch für Diagnose verwenden
oder Therapieansätze verbessern, irgendwelche anderen Einsicht bekommen, die dann medizinisch relevant sind.
Das ist unser erklärtes Ziel. Das ist das, was wir in der Gruppe machen.
Für diese Methodenentwicklung ist es sehr gut, dass wir in diesem Max-Planck-Institut nebenan sind,
weil wir da natürlich Kollegen haben, die sich super toll mit Licht auskennen.
Licht ist eine wichtige Methode oder ein Aspekt, mit dem man dann Informationen über Zellen sammeln kann.
Und wir arbeiten gerade daran, ein Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin aufzubauen.
Ich sage dazu noch etwas am Ende, wo dann diese Anwendung vielleicht auch direkt in der Klinik umgesetzt werden kann.
Das ist das Gebäude nebenan. Das ist also da, wo wir im Moment zu finden sind und unsere Arbeit tun.
Das ist ein sehr schönes Gebäude, es ist auch ein sehr funktionelles Gebäude.
Man kann richtig toll arbeiten. Wie gesagt, mal da tolle Kollegen, mit denen man sich austauschen kann
und seine eigenen Möglichkeiten verbessern kann.
Man kann dann sagen, ein Institut für die Physik des Lichts, wo braucht man jetzt Licht?
In der Biologie, in der Medizin. Eine offensichtlich Antwort ist, naja, Mikroskope.
Mikroskope sind wahrscheinlich mit Abstand das wichtigste Werkzeug, mit dem Menschen herausgefunden haben, wie Biologie funktioniert.
Dass man sich kleine Sachen, die man eigentlich mit dem Auge nicht sehen kann, so weit vergrößern kann,
dass man sieht, dass es sowas gibt wie Zellen, wie die miteinander agieren, vielleicht dann irgendwann auch in Zellen reinschauen usw.
Das ist eine Möglichkeit, die haben wir seit dem 17. Jahrhundert aufgrund der Arbeit von Herrn Van Neuwenhoek in Holland
und Robert Hooke in England, die haben die ersten Mikroskope gebaut und damit überhaupt gesehen, dass es sowas gibt wie biologische Zellen.
Und Mikroskopieentwicklung ist immer noch ein sehr aktives Thema.
Die Möglichkeiten, die man hat, mit Licht in Zellen reinzuschauen und Informationen zu bekommen, werden immer weiter vorangetrieben.
Man sieht es zum Beispiel auch daran, dass es vor ein paar Jahren einen Nobelpreis gab in der Chemie, aber das waren auch Physiker, die das bekommen haben,
für die Entwicklung der sogenannten Super Resolution Microskopie, dass man also über das Beugungslimit, das man hat, mit dem man normalerweise mit Lichtsachen anschauen kann.
Man kann nur Abstände sehen, die größer sind als die Hälfte der Wellenlänge, eigentlich, also Wellenlänge von Licht ist 500 Nanometer.
Das heißt, man kann Strukturen sehen, die so 250 Nanometer sind. Und das ist ein sehr fundamentales Limit, die drei Kollegen hier, der Herr Heilles, auch Max-Planck-Direktor in Heidelberg mittlerweile.
Die haben es geschafft, diese Auflösung, diese Auflösungsbegrenzung zu knacken. Man kann mittlerweile mit Lichtangströmen Auflösungen hinbekommen.
Total verrückt, dass da auch fundamentale Grenzen der Physik immer weiter voran oder verschoben werden.
Also unheimliche Entwicklung im Bereich der Licht-Mikroskopie. Aber man kann mit Licht eben auch nicht nur Sachen anschauen und sich dann,
dass man deswegen auch die Moleküle anschaut, die in der Zelle sind, wo die Zelle, wo viele da sind, welche miteinander wechselwirken. Das ist alles super toll.
Man kann mit Licht auch andere Sachen machen. Man kann zum Beispiel optische Fallen bauen.
Es ist ein Thema, ein Bereich, in dem der Herr Arthur Ashkin 2018 sehr wohl verdient und sehr, sehr spät seinen Nobelpreis bekommen hat für Arbeiten, die er in den 60er Jahren in den Bell Labs in den USA ausgeführt hat.
Der war schon in seinen 90er Jahren, ist mittlerweile auch verstorben. Aber der war der erste, der damals angefangen hatte, kurz nachdem Lace überhaupt das erste Mal zur Verfügung standen,
zu zeigen, dass man mit Licht Dinge bewegen kann. In einem Labor, weil man mit einer Laserquelle plötzlich sehr, sehr viel Licht, sehr hohe Intensität zur Verfügung hatte.
Und er hat gezeigt, dass man eben mit Licht Sachen bewegen kann, aber auch eben einfangen kann.
Kannst du dir das so vorstellen, was ich hier versucht habe zu skizzieren. Zwei Laserstrahlen, der eine kommt von rechts, der andere kommt von links und die divergieren, also diese schwarzen Streifen, das sind so die Bremsungen des Laserstrahls.
Der Strahl, der von links kommt, der wird immer breiter und der von rechts kommt natürlich auch, aber in die andere Richtung.
Und wenn man zwei solche Laserstrahlen einfach aufeinander richtet, zwei Laserpointer einfach aufeinander richtet, kann man in der Mitte kleine Objekte einfangen. Glaskügelchen zum Beispiel oder biologische Zellen geht auch.
So ein ähnlicher Aufbau war auch Teil von anderen Physik-Nobelpreisen zum Einfangen und Abkühlen von Atomen und Molekülen, was dann wiederum dazu geführt hat, dass man auch ein Brosseinstein-Kondensat hinbekommen kann, nur so nebenbei.
Also das ist auch eine wichtige Methode in der Physik geworden. Das funktioniert so, man muss sich das so vorstellen, dass das Licht, das hier rauskommt, kleine Teilchen sind, Photonen, die auf ein Objekt prasseln und dann gestreut werden.
Und das Licht hat auch Impuls, das heißt, dieser Vorwärtsimpuls wird auf das Teilchen übertragen und weggedrückt. Das ist ein Aspekt davon.
Das ist so ähnlich, wie wenn Sie einen Wasserschlauch nehmen, auf dem Luftballon draufhalten, dann wird der Luftballon weggedrückt.
Das ist das, was ich hier als mit Rot bezeichnet habe, diese sogenannte Scattering Force, eine Streukraft. Dieser Laserstrahl drückt das Teilchen nach links und der drückt es nach rechts und wenn die beiden gleich stark sind, bleiben die in der Mitte stehen.
Bei Wasser ist es so, dass Wasser eben zum Beispiel nicht in so einen Luftballon reinkommt. Das heißt, wenn man diese Wasserstrahlen versucht, dann wird es natürlich von zwei Seiten in die Mitte gedrückt, aber dann seitlich rausflutschen.
Bei Licht ist es eben genau andersherum, weil das Licht eben anders als Wasser bei einem Luftballon zum Beispiel durch ein Glaskügelchen durch kann und dann drehen sich diese seitlichen Kräfte herum und dann gibt es hier Kräfte, sogenannte Gradientenkräfte, die dieses Teilchen sogar in der Mitte von diesem Laserstrahl halten.
Also wenn sich das ein bisschen nach oben wegbewegen würde, gibt es da Kräfte, die es gleich wieder zurückziehen. Das will immer da sein, wo die höchste Intensität ist.
Und damit hat man eine optische Falle gebaut. Man hat aus Licht einen Käfig gebaut, wo eine Zelle oder ein kleines Glaskügelchen eingefangen werden kann. Das kommt dann nicht mehr raus.
Okay, das zunächst mal. Man kann mit Licht kleine Objekte festhalten.
Ich habe hier ein kleines Filmchen noch gefunden aus der Zeit meiner Doktorarbeit, weil ich habe genau so eine optische Falle eben aufgebaut und wollte mal kurz illustrieren, dass es wirklich Kräfte sind, die man sehen kann, also die Reaktion da drauf.
Was Sie hier sehen, ist das Ende von einer Glasfaser. Das war der eine Teil von unserer Falle, da kommt also das Licht raus.
Wenn Sie sich vorstellen, auf der anderen Seite hier drüben irgendwo ist noch mal so eine Glasfaser, dann kommt eben der andere Strahl raus und dieses Teilchen wird hier in der Mitte festgehalten.
Ja, ungefähr hier. Und wenn man dann diesen Laserstrahl ausschaltet, wird das Teilchen nach rechts drüber gedrückt und dann kann man das Licht wieder anschalten, dann geht es wieder zurück.
Ich lasse das einfach mal laufen, ich denke, das wird relativ schnell klar, was hier passiert. Also wenn das Licht hier aus ist, drückt der andere Laserstrahl das Teilchen zur Seite und wenn man es dann wieder anmacht, dann wird es wieder zurück gedrückt, bis es in der Mitte ein gleiches Gewicht findet.
Und es rutscht jetzt auch nicht nach oben und weg, sondern es bleibt wirklich in der Mitte auf der Achse dieser zwei Laserstrahlen stehen.
Das ist ungefähr so groß wie eine Zelle, zehn Mikrometer im Durchmesser. Man sieht, dass Licht kleine Teilchen wegschieben kann.
Das ist nicht was, was man aus dem alltäglichen Leben kennt. Wenn man raus in die Sonne geht, wird man nicht wieder reingedrückt, sondern man kriegt vielleicht einen Sonnenbrand, Energie wird übertragen.
Impulseübertragung auf großer Skala reicht natürlich nicht, dass wir das spüren. Aber wenn man so klein wird und sehr viel Licht verwendet, dann merkt man, dass Licht auch Kraft hat.
Das war die Basis dafür, dass mein Professor damals vorgeschlagen hat, wir könnten noch so eine optische Falle bauen und dann stecken wir da Zellen rein und gucken mal, wie die verformt werden.
Ob dieser Strahlungsdruck vielleicht die Zellen zusammendrückt und damit dann genau das macht, was wir mit der Tomaten im Supermarkt machen.
Gucken wir, wie steif die sind, wie stark lassen wir sie verformen. Das war meine Aufgabe, ich habe das aufgebaut.
Ich war etwas überrascht, sehr überrascht, dass das so passiert ist. Das ist jetzt ein Filmchen. Eine Zelle, in dem Fall ein bisschen größer als 20 Mikrometer.
Die sieht man sich dann mit dem Mikroskop an, übrigens mit genau dem Aufbau.
Hier eine optische Falle, eine Glasfaser, da eine Glasfaser, Leselicht kommt raus, die Zelle wird eingefangen. Wir hatten gedacht, die wird zusammengedrückt und dann passiert sowas.
Ich glaube, Sie können es sehen, oder? Die ist am Anfang kreisrund und wird dann zu so einer Lipse auseinandergezogen.
Überhaupt nicht das, was wir erwartet hatten. Wir dachten, die werden zusammengedrückt, jetzt wird die auseinandergezogen.
Wir dachten, wir bauen einen Optical Squeezer und dann wird es ein Optical Stretcher im Englischen.
Wo kommt das her? Das ist dann die Situation, wo man als Physiker denkt, das kann ja eigentlich nicht sein.
Das habe ich jetzt falsch gemacht und dann anfängt es sich zu überlegen, warum muss das sein, wie kann ich das verstehen.
Interessanterweise habe ich mich dann in einen Pool gesetzt, den aus dem Texas ist schön warm, da sitze ich gerne mal am Pool.
Ich habe mir ein Paper von dem gleichen Arthur Ashkinn durchgelesen. Er hat ein Experiment gemacht, wo er einen Laserstrahl von oben durch eine Wasseroberfläche geschickt hat.
Das sieht hier den Diskuss so. Was er gesehen hat, war eben nicht, dass das Wasser nach unten reingedrückt wird durch den Strahlungstruck, sondern dass es nach oben angehoben wird.
Das liegt auch wieder daran, dass hier Impuls übertragen wird. Der Impuls des Lichts im Wasser ist höher als draußen.
Das heißt, zur Impulserhaltung muss ein Impuls nach rückwärtig übertragen werden. Das ist eine Kraft, die die Wasseroberfläche nach oben zieht.
Das nur so als kurzes Detail hier. Das ist im Grunde auch das, was passiert, wenn Licht in eine Zelle reingeht.
Wenn man sich das mal umdreht, geht Licht auf der einen Seite in die Zelle rein, die wird an der Oberfläche in diese Richtung bewegt.
Der andere Laserstrahl auf der anderen Seite macht das auch. Insgesamt wird die Zelle auseinandergezogen.
Als ich das verstanden habe, das war im Grunde die Basis für meine Doktorarbeit. Ja, da war eine Frage.
Wenn das Licht die Zelle wieder verlässt, wird der Impuls verloren. Genau. Sehr gute Frage.
Wir haben eine Zelle und wir haben nur einen Laserstrahl. Was ich gerade gesagt habe, wenn das Licht hier reingeht, wird der Impuls rückwärtig übertragen.
Die Zelle wird zuverformt und das Licht geht auf der anderen Seite raus, verliert Impuls, genau wie Sie sagen.
Das heißt, der Impuls wird in die andere Richtung übertragen. Das heißt, der würde auch die Zelle nach außen verformen.
Ein Laserstrahl reicht, um die Zelle zu verformen, aber dann bewegt es sich, weil der Impulsübertrag an der Rückseite größer ist als an der Vorderseite, wenn man die Reflexionen jeweils noch mitrechnet.
Das heißt, eine Zelle bewegt sich, aber nur weil auf der Seite mehr gezogen wird als auf der anderen Seite. Das ist wie so ein Tau ziehen mit zehn Leuten, hier neun Leuten da.
Und wenn man dann auf beiden Seiten gleich viele Leute stehen hat, dann bewegt sich nichts, aber man hat doppelt so viel Kraft. Sehr gute Frage.
Das war die Erklärung. Wir haben da sehr viel dran gearbeitet. Wir haben das dann auch im Detail durchgerechnet mit Max-Volschengleich und alles Mögliche.
Wir wissen mittlerweile sehr genau, dass die Zelle sich genau so verformen muss. Das sind die elektrischen Felder um so eine Zelle herum.
Das ist der Stress, die Spannung, die durch das Licht an der Oberfläche erzeugt wird, die zieht die Zelle nach außen weg.
Okay, das war die grundlegende Physik, das Phänomen verstanden. Was macht man damit?
Wir wollten Zellmechanik messen. Deswegen haben wir diese optische Falle in so ein kleines mikroflütisches System eingebaut, damit die Zellen eben schön nacheinander hier antransportiert werden.
Die werden dann in diese Falle reingesaugt, dann werden sie festgehalten und dann dreht man das Licht hoch, relativ schnell,
hüpft dann plötzlich sehr viel Kraft auf die Zelle aus, das heißt, die Zelle verformt sich und dann lässt man wieder los und dann relaxiert sie vielleicht auch wieder zurück.
Man kann das vielleicht auch ein paar Mal machen und dann lässt man die Zelle los. Man macht das Licht komplett aus, sie stimmt weiter, man fängt die nächste Zelle ein.
Noch einmal ein genaues Bild, wie das ausschaut. Also die Zelle, das ist eine Zeitachse hier, man sieht die, nach oben aufgetragen, die relative Verformung in der Achse,
also wie stark die auseinandergezogen wird und an dem Punkt fangen wir an zu ziehen und an dem Punkt haben wir wieder auf und dann machen wir das Ganze nochmal.
Das ist hier nicht sehr gut aufgelöst, aber Sie sehen das ja. Das heißt, das ist die mechanische Verwaltung der Zelle als Antwort auf eine konstante Kraft,
die eine Zeit lang auf diese Zelle wirkt. Wenn man eine Feder hätte, würde sie sofort nach oben springen und dann konstant auf der Länge bleiben.
Wenn man eine Flüssigkeit hätte, wie Honig zum Beispiel, würde eine Kraft anziehen, dann würde es langsam linear auseinandergedehnt werden.
Was man hier sieht, ist so eine Mischung aus einer elastischen Antwort und einer viskosen Antwort, deswegen nennt man das dann eine visko-elastische Verformung.
Und das ist typisch für Zellen, Zellen sind nicht rein elastisch und nicht rein viskos, sondern irgendwas dazwischen.
Das heißt aber, genau mit so einer Messung kann man auch diese visko-elastischen Eigenschaften vermessen an einer einzelnen Zelle.
Zurück im Supermarkt, man nimmt die Tomate, man drückt da drauf und guckt dann an, wie stark das sich verformt. Tomate in dem Fall reagieren eher elastisch,
das ist eine sehr schnelle Verformung und keine fließende Verformung. Aber das ist das, was wir jetzt wirklich mit Zellen machen können.
Mit Licht einzelne Zellen einfangen und an der Zelle ziehen und dann gucken, wie das sich verformt, ob das sich stark verformt oder wenig verformt,
ob das sich schnell verformt oder langsam verformt. Und diese Kombination mit diesem mikroflitischen System hier bedeutet eben,
dass man relativ zügig Zellen nacheinander durchmessen kann.
Okay, der nächste Slide ist relativ voll. Ich möchte das ganz kurz durchgehen. Wir haben uns alle möglichen biologischen Veränderungen von Zellen angeschaut
und gefragt, ob man diese Veränderungen der Zelle ertasten kann, ob man das fühlen kann, ob die sich verändert.
Wir haben uns zum Beispiel angeschaut, was passiert während dem Zellenzyklus. Zellen wachsen, duplizieren irgendwann mal ihre genetische Material,
dann teilen sie sich und dann geht das Ganze wieder von vorne los. Was passiert während diesem biologischen Prozess?
Die Zelle ist unterschiedlich steif und verformbar, je nachdem, welchem Stadium dieser Zellteilung eine Zelle sich befindet.
Wenn Blutzellen aus Stammzellen ausdifferenzieren, wenn die ihre finale, reife Form annehmen, ursprünglich sind diese Stammzellen während dieser schwarzen Kurve,
wenn die sich zu Neutrophilen oder Monozyten ausdifferenzieren, sieht man, dass die hinterher eine andere viskolastische Eigenschaft haben.
Oder Makrophagen, die liegen hier unten drunter. Das heißt, man kann Stammzellen von differenzierten Zellen unterscheiden,
aufgrund ihrer unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Das ist auch sehr spannend.
Normale Zellen haben eine gewisse Performerkeit, wenn man sich die entsprechenden krebsartigen Zellen anschaut.
Die Krebszellen sind immer weicher. Und die werden umso weicher, je metastatischer die werden,
je wahrscheinlicher die im Körper sich ausbreiten können, um metastasen zu bogen.
Da kann man vielleicht ein bisschen verstehen, dass eine Zelle, die sich im Körper ausbreitet, vielleicht auch weich sein muss, damit sie da hinkommt,
dass sie sich durch die schmalen Stellen im Körper durchquetschen kann.
Das heißt, da ist sogar eine physikalische Eigenschaft, die vielleicht wirklich notwendig ist, damit eine Zelle das überhaupt machen kann, was sie machen will, sich im Körper ausbreiten.
Was ich auch sehr spannend finde, das war ein Ergebnis, das hatten wir 2005 publiziert, das wurde hundertmal nachgemacht mit unterschiedlichsten Zelltypen von uns und anderen Gruppen.
Und die Krebszellen sind immer weicher, egal welcher genetische Veränderung dieser krebsartigen Veränderung zugrunde liegt.
Mediziner würde sagen, das sind 200 Krankheiten. Als Physiker kann man sagen, Krebs hat anscheinend auch eine mechanische Signatur, die immer die gleiche ist und sich generisch immer so verhält.
Das ist eine ganz andere Herangehensweise, vielleicht so eine Krankheit zu definieren.
Und was sich da draus ergibt, das kann man sich dann überlegen, wenn das als Diagnose verwendet werden kann, ist schon mal gut.
Man kann vielleicht auch eine Prognose machen, wie wahrscheinlich ist eine Zelle, die aus dem Tumor kommt, in der Lage dann auch mit der Stasen zu bilden. Wie muss man da die Therapie anpassen?
Kann man mit der Stasen dadurch verhindern, dass man Zellen steifer macht? Wie macht man das?
Das sind genau die Fragen, die uns jetzt umtreiben, aufgrund dieser ursprünglichen Entdeckung.
Oder Immunzellen, wenn die aktiviert werden, die zirkulieren im Blut rum normalerweise, da gibt es eine Infektion, kriegen den chemischen Signal,
müssen dann in den Körper rein, um die Bakterien, Viren usw. zu bekämpfen.
Auch da verändern sich die mechanischen Eigenschaften und müssen sich verändern.
Das sind also sehr viele Beispiele, das ist auch nur ein Ausschnitt, das eigentlich immer dann, wenn die Funktion der Zelle sich ändert,
eine physiologische Veränderung, eine Zellteilung, eine Differenzierung oder eine pathologische Veränderung, eine Krankheitsveränderung,
dass die Mechanik der Zelle sich ändert und man das ertasten kann, von außen, ohne irgendwas zu wissen.
Einfach diese Messung machen und man sieht, da verändert sich was.
Aber wenn wir fragen, ob die Chemsfelder jetzt inwiefern ein oder zwei Mal gegenüber dem normalen sind, dass sie gar nicht in der Breitschraube noch mal verfehlen können?
Ja, das ist genau auch das. Die haben nicht mehr genügend Zeit, diese innerteren Strukturen aufzubauen, die sie normalerweise haben,
als sich laufend teilen. Sehr guter Punkt.
Diese Strukturen intern, die die Steifheit von Zellen bestimmen, das ist das sogenannte Zytoskelett.
Das ist ein Polymer-Netzwerk, es gibt da unterschiedliche Arten, die roten sind hier mit Mikrotubulin, die grün sind Mikrotubulin,
die roten sind sogenannte Arktin, also spezifische Proteine, man kann die bestimmen, man kann die sich anschauen, wo die sind,
man kann das quantifizieren, die spannen ein Netzwerk auf, die bestimmen, wie sich die Akkumente sich verformen kann.
Die sind aber auch involviert in allen möglichen Funktionen, also diese Mikrotubulin, die transportieren Materialien von der Peripherie zum Zellkern oder in die andere Richtung.
Dieses Aktin hat sehr viel damit zu tun, wie eine Zelle mitkrieert, wie die sich fortbewegt, wie die sich teilt usw.
Das heißt, diese Struktur, die die Zelle ändert, bedeutet automatisch auch, dass sich die Mechanik ändert und das ist das, was wir ausnutzen,
dass wir immer erfüllen können, wenn die Zelle ihre internen Strukturen umbaut.
Wenn das jetzt so eine tolle Idee ist, warum ist das eigentlich noch nicht in Anwendung, warum wird das noch nicht in der Medizin verwendet?
Warum macht man damit keine, was weiß ich, Grippstdiagnose, wie ich das gerade gesagt habe, oder sortiert Stammzellen irgendwo raus, um die für irgendwas zu verwenden,
oder guckt sich an, ob irgendwelche Infektionen im Körper loslaufen oder sonst irgendwas.
Die Antwort dafür ist relativ einfach. Die Methoden, die es bisher gab, um Mechanik zu messen, die sind relativ langsam.
Man kann mit einer Mikropipette Zellen ansaugen und gucken, wie weit es hier formt, oder man nimmt ein Rasterkraftmikroskop und drückt auf eine Zelle und schaut,
wie weit man die reindrücken kann, oder man nimmt so einen Optical-Strecher.
Das sind alles schöne Methoden, um grundlegende Fragen zu klären, interessante Beobachtungen zu machen.
Aber es ist natürlich völlig utopisch, dass ein Arzt in der Klinik oder eine technische Assistentin mit so einer optischen Falle da irgendwie rumspielt,
um eine Blutprobe zu untersuchen, weil 10 Zellen, 100 Zellen in einer Stunde, das ist so das, was man vielleicht hinkriegt.
Damit kriegt man keine Diagnose von vielen Patienten pro Tag hin.
Und ich mag dieses Zitat von Sidney Brenner, auch ein Nobelpreisträger für Physiologie.
Entwicklung in der Wissenschaft hängt ab von neuen Methoden, neuen Entdeckungen und neuen Ideen, aber vermutlich in dieser Reihenfolge.
Also es sind immer die Methoden, die dann zu weiteren Einblicken führen, also Rhythmenstrahlen, um DNA irgendwie aufzuschlüsseln zum Beispiel.
Wir brauchen auch hier neue Methoden, um diese Einsicht in die Anwendung zu bringen. Und das ist genau das, was wir in den letzten Jahren gemacht haben.
Eine Methode entwickelt, mit der man mechanische Messungen extrem beschleunigen kann.
Der Trick dabei ist, dass man die Zelle nicht irgendwo festhält und dann daran rumdrückt, sondern die Bewegung der Zelle ausnutzt, um Kraft auszuüben.
Das sieht so aus, wir haben Zellen in Lösung und drücken die dann mit einer Spritzenpumpe in einen mikrofluidischen Chip.
Der hat irgendwo eine schmale Stelle, die ist ungefähr doppelt so groß wie die Zelle, also 20 Mikrometer, vielleicht 30 Mikrometer Durchmesser.
Aber die Zelle bewegt sich 30 Zentimeter in der Sekunde.
Also extrem schnelle Geschwindigkeit im Kleinkanal, da wirken unheimliche Kräfte auf die Zelle, die ausreichen, die Zelle zu verformen, weil und während sie sich bewegt.
Um das sichtbar zu machen, muss man dann stroposkopisch die Zelle kurz anblitzen, mit einer schnellen Kamera das aufnehmen.
Und dann sieht man, wie eine Zelle, die am Anfang rund ist, sich erst ausdehnt, zu der Länge gezogen wird und dann so eine komische Bulletform annimmt.
Weil die vorne gezogen und hinten gedrückt wird und zeitlich abgebremst wird in dem Kanal im Grunde und dann sehen die so praktisch wie so ein Bullet aus.
Und mit dieser Methode, mit dieser schnellen Mikroskopie, können wir dann detektieren, ob eine Zelle gerade im Kanal ist, wo die Kontur ist, wie groß die ist und insbesondere auch wie stark die verformt ist.
Also auch wieder eine mechanische Messung.
Das ist in Millisekunden, wir haben das Filmchen extrem verlangsam, damit man sich das anschauen kann, so schnell es wie die Messung wirklich funktioniert.
Jeder einzelne Punkt, hier ist eine Zelle, die oben durch den Kanal durchgeflutscht ist, nach rechts wird die Größe der Zelle aufgetragen und nach oben die Verformung.
Das heißt, man kriegt hier so die Verteilung der mechanischen Eigenschaften in einer Probe.
Und wenn Sie das sehen können, da ist ein kleiner Counter, der hier läuft von 0 bis 2000.
Da ging es los, 0, 1000 und so weiter.
Wir messen hier Zellen kontinuierlich mit einer Rate von 100 bis 1000 Zellen pro Sekunde.
Und um das nochmal zu kontrastieren, Optical Stretcher, Laserstrahlen sieht man nicht, Laser kommt von außen, das ist dieser mikrofletische Kanal, die Zelle wird eingefangen, zentriert, man zieht da dran rum, die wird verformt, man guckt sich das an,
dauert eine Weile, dann ist man damit fertig, kommt die nächste, 100 Zellen pro Stunde vielleicht, 1000 Zellen pro Sekunde.
Es ist 36.000 Mal schneller.
Oder um das anders auszudrücken, wir können jetzt mit dieser neuen Methode in einem Tag so viele Zellen messen, wie mit dieser anderen Methode, die wir bisher zur Verwendung verwendet hatten, in 100 Jahren.
Das ist die Beschleunigung und das ist massiv. Wir können jetzt Experimente machen, davon haben wir früher nur geträumt. Jetzt sind wir wirklich in der Lage, das auch in eine Anwendung zu bringen.
Wir haben in den letzten paar Jahren, seit wir das publiziert haben, unheimlich viele Projekte mit allen Kollegen gemacht, viel publiziert.
Ich möchte insbesondere auf eine Anwendung eingehen, weil es hier auch um die Medizin geht.
Wir haben jetzt so einen Durchsatz, dass wir da auch einfach einen Tropfen Blut nehmen können. Finger kurz angepikst, nehmen den Tropfen auf, verdünnen das ein bisschen, schicken das durch dieses Gerät durch, dauert ein paar Minuten, 15 Minuten.
Das sieht so aus. Also diese Blutlösung kommt hier rechts rein, da kommt noch ein bisschen klare Flüssigkeit, die wird mit reingedrückt, damit die Zellen möglichst durch die Mitte von diesem Kanal fließen.
Das ist dieser schmale Kanal, von dem ich gesprochen habe und dahinten nehmen wir die Bilder auf.
Man braucht auch diesen Durchsatz, weil im Blut ist nur jede tausendste Zelle was anderes als eine rote Blutzelle.
Das sind ja oft dann die interessanten Zellen, die Immunzellen, die auch im Blut mit zirkulieren.
Wie sieht dann so ein Ergebnis aus? Wir haben sehr viele Zellen hier oben, das sind dann offensichtlich die roten Blutzellen, von denen ich schon gesprochen habe.
Das Schöne ist auch, die sind ja hauptsächlich dazu da, um Sauerstoff zu transportieren im Körper.
Ansonsten vielleicht nicht so spannend, das heißt es ist sehr schön, dass es die gibt, aber ansonsten stören die, wenn man die anderen Zellen sehen will.
Bei unserer Analyse ist es schön, dass die sehr weich sind, die verformen sich sehr stark, deswegen liegen die auch in diesem Plot sehr weit oben.
Das ist gut, weil dann sind die ganz woanders in diesem Plot als die anderen Zellen, die uns eigentlich interessieren.
Das sind sogenannte Platelets oder Thrombozyten, die machen die Blutgerinnung.
Das sind die Zellen des angeborenen Immunsystems, Neutrophil, Immunozyten, Basophil, Eosinophil.
Das sind die Zellen, die bei einer Infektion, die der Körper noch nicht gesehen hat, aktiv werden und anfangen die Pathogene zu attackieren und zu eliminieren, idealerweise.
Das sind die Zellen, das sogenannte Lymphozyten, die Teil des adaptiven Immunsystems sind.
Das heißt, die sind diejenigen, die dann lernen, wie so ein Pathogen ausschaut, wie so ein Virus ausschaut, wie ein Bakterium ausschaut, damit man dann bei einer weiteren Infektion relativ schnell darauf reagieren kann.
Und viel besser und viel spezifischer als bei einer ersten Infektion.
Wir sind jetzt alle Experten nach Corona. Bei der ersten Infektion sind diejenigen, die die Hauptarbeit machen.
Bei der zweiten kommen die dazu, die dann deutlich schneller diese Infektion in der Kontrolle bekommen.
Das sind auch die Zellen, die bei einer Impfung z.B. trainiert werden, die Zellen, also in dem Fall die Viren zu erkennen und zu eliminieren.
Wir sehen die Zellen, wir können die zählen. Das ist das, was normalerweise beim Blutbild gemacht wird.
Wie viele Neutrophile sind im Blut, sind da zu viele, hat man eine Infektion. Das ist das, was der Arzt normalerweise aus Blut an Information gewinnt.
Was wir jetzt aber zusätzlich machen können, ist eben zu gucken, ob die Zellen nicht nur in ausreichender Zahl vorhanden sind, sondern auch, ob die die richtigen mechanischen Eigenschaften haben.
Vielleicht sind die zu weich, zu steif, zu groß, zu klein. Und zwar für jede einzelne Zelle und für die unterschiedlichen Zelltypen separat.
Das heißt, man hat einen riesengroßen Phasenraum, in dem man dann verschiedene Krankheiten einordnen kann, um die auch zu unterscheiden.
Das ist genau das, was wir machen. Wir haben eine Firma gegründet, um das auszunutzen. Das wollte ich vielleicht auch dazu sagen.
Riverside, um da vielleicht auch wirklich Geräte in die Zulassung zu bekommen, damit die irgendwann mal beim Arzt stehen.
Das ist also durchaus auch was, was wir hier besuchen. Ein paar Beispiele. Malaria.
Das sind jetzt nur die roten Blutzellen in einem gesunden Patienten, bei einem Malaria-Patienten. Ich weiß nicht, ob ihr das gut sehen könnt.
Es sind deutlich mehr Zellen, nicht verformbar genug. Das ist ein Perakteristikum. Man weiß das.
Aber jetzt können wir es auch an einem Tropfen Blut in 10 Minuten, 20 Minuten einfach mal messen.
Man sieht sogar in manchen Zellen diesen hellen Punkt. Das ist die Vakuole, die in den roten Blutzellen ist, wenn dann dieser Parasit in den roten Blutzellen drin ist.
Also eine sehr schnelle Methode, um Parasiten zu detektieren im Blut anhand der Verformbarkeit von roten Blutzellen.
Oder wenn man eine Entzündung hat, eine Atemwegsinfektion.
Dann, wenn man sich die Neutrophilen anschaut, das ist auch wieder eine spezielle Untergruppe, die ich vorher gezeigt habe.
Das sind normalerweise da, wo diese schwarzen Punkte sind. Das wäre die Messung von einem gesunden Patienten.
Und bei einem Patienten mit einer sehr schweren Atemwegserkrankung sieht man, dass diese Wolke sich nach rechts und nach oben verschoben hat.
Wenn man das bei 20 gesunden Leuten macht, sind es diese schwarzen Punkte, die Mitte der Verteilung.
Und dann entsprechend viele Patienten anschaut, dann sieht man, dass die charakteristisch immer nach rechts und nach oben verschoben sind.
Das ist das Zeichen für eine Infektion im Körper. Neutrophile werden größer und weicher.
Man kann Leukämie zum Beispiel, das ist dann, wenn die Zellen nicht ausdifferenziert sind, wenn die unreif im Blut sind und dann ihre Funktion nicht machen können im Grunde.
Man sieht plötzlich eine Population, die auftaucht, die gar nicht da ist, wo sie sein sollte.
Die Lymphozitten sollten eigentlich hier unten sein. Das ist jetzt eine akute lymphatische Leukämie.
Man sieht, dass da ganz viele Zellen da sind, die eigentlich da nicht sein sollten. Die haben die falschen mechanischen Eigenschaften.
Wenn man jetzt zwei Wochen Verlaufskontrolle von einer Hydrochordisonbehandlung anschaut, sieht man, dass sich das über zwei Wochen hinweg dahin zurücknormalisiert, wo die Zellen sein sollen.
Das heißt, man kann nicht nur Leukämien detektieren, man kann auch Therapie-Monitoring machen, Tropfenblut 20 Minuten durchlaufen lassen.
Anhand der Verformbarkeit für den Zellen kriegt man solche Informationen.
Und das ist das, was wir massiv gerade ausbreiten mit sehr vielen Gruppen in der Uniklinik.
Wir konnten dann natürlich auch nicht widerstehen, als dieser Bösewicht aufgetaucht ist, uns genau das Blut von Covid-19 infizierten Patienten anzuschauen.
Und das war schon ziemlich krass, weil da wirklich alle Blutzelltypen reagieren und unterschiedliche falsche Eigenschaften haben.
Die roten Blutzellen sollten normalerweise so ausschauen. Bei einem Covid-19-Patienten auf der Intensivstation sehen die so aus.
Also sehr viele Zellen, die einfach nicht verformbar genug sind.
Neutrophile hatten wir gerade. So ist es normalerweise. So sieht es bei einem Covid-19-Patienten aus.
Viel wieder zu groß, zu verformbar. Ganz klares Zeichen für eine heftige Infektion.
Auch die anderen Zellen reagieren. Monozyten zum Beispiel, das sind Einzelmessungen, das sind jetzt die Summen von ganz vielen gesunden Patienten.
Normalerweise liegt es hier. In dem Fall ist die Größe aufgezeichnet. Das ist hier nicht gut zu sehen.
Bei den Covid-19-Patienten sind die Zellen 20 Prozent zu groß.
Und das ist ein massiver Unterschied, weil normalerweise ist das die Spannung, wo die sein sollten.
Nymphozyten in dem Fall sind weicher.
Was es bedeutet ist, nicht nur, dass man diese heftige Immunantwort des Körpers anhand der Blutzellen sieht,
sondern dass diese Eigenschaften, die sich hier verändern, eventuell auch etwas damit zu tun haben, warum das dem Patienten schlecht geht.
Wenn die Brotenblutzellen nicht mehr genügend Sauerstoff aufnehmen können, weil die nicht gut durch die Lungenkapillaren durchgehen,
weil die zu steif sind, dann fehlt dem Körper Sauerstoff. Das ist schlecht.
Wenn die Zellen zu groß sind, zu steif sind, in den Kapillaren hängen bleiben, stecken bleiben,
dann kann das die Ursache für diese thrombosen, thrombotischen Events sein, die in den Medien rumgegangen sind.
Das führt dazu, dass Zellen bestecken bleiben, Probleme bereiten, die Organe irgendwann nicht mehr funktionieren.
Das kann ultimativ auch dazu beitragen, dass der Patient verstirbt.
Diese physikalischen Eigenschaften der Zellen sind nicht nur etwas, woran man eine Krankheit erkennen kann, sondern vielleicht auch besser verstehen kann.
Das ist etwas, was wir auch sehr intensiv mit der Augenklinik betreiben.
Die Frage, ob die Veränderung der Verformbarkeit der Zellen wirklich einen Einfluss auf die Zirkulation hat.
Wir machen das mit der Augenklinik, weil die mit entsprechenden Geräten in die Retina, in die Netzhaut reinschauen
und sich in diesen Kapillaren in der Netzhaut anschauen, wie da das Blut fließt.
Das ist ein Fenster in den Körper rein, so wie das normalerweise ausschauen soll.
Das ist das bei einem Covid-19-Patienten. Der Unterschied ist nicht drastisch, aber wenn man hier in die Details reinschaut,
hier sind Kapillaren, die normalerweise Blutfluss haben.
Und hier sieht man, dass das zum Beispiel hier unten deutlich reduziert ist.
Das ist schon signifikant, wenn man da eine gewisse Anzahl von Kapillaren immer nicht mehr bespielt,
weil die Blutzellen nicht durchkommen, dass da wesentlich weniger Sauerstofftransport stattfindet.
Das ist übrigens die Bettina Ruberger, mit der wir zusammenarbeiten. Ich weiß nicht, ob Sie von ihr gehört haben.
Wir haben uns jetzt insbesondere angeschaut, ob man darüber auch Long-Covid diagnostizieren kann,
weil manchmal bei den Long-Covid-Patienten anscheinend diese mechanischen Eigenschaften nicht normal werden,
nicht zurückgehen und dann eventuell genau die Probleme bereiten, die mit Long-Covid beschrieben werden.
Fatigue, Brainfork und so weiter. Vielleicht auch einfach deswegen, weil nicht genügend Sauerstoff in den Geweben ankommt.
Das sind die Sachen, die wir als Physiker machen. Ich hatte gesagt, ich sage am Ende noch etwas zu diesem Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin.
Im Moment sind wir hier noch gleich nebenan, in der Nähe der Physik. In diesem Gebäude bauen wir unsere Methoden auf.
Aber das Ziel ist es dann auch wirklich in die klinische Anwendung zu bringen.
Dafür bauen wir gerade dieses Gebäude. Das ist mitten auf dem Uniklinikum, direkt neben den Kopfkliniken, zwischen Kopfkliniken und Internen Medizin,
um direkt mit den Medizinern an aktuellen Fragestellungen mit Medizin zu arbeiten, Methoden zu entwickeln,
die in die Anwendung zu bringen, an Patienten auszuprobieren, um unmittelbar die Behandlung von Patienten zu verbessern.
Das ist das erklärte Ziel. Ich denke, wir sind ja schon relativ weit.
Damit bin ich im Grunde auch am Ende meines Vortrags. Die Frage war, was macht ein Physiker in der Medizin?
Ich glaube, es gibt zwei Aspekte, die man da herausstellen kann. Das eine ist, Physiker sind verdammt gut darin, neue Methoden zu entwickeln.
Neue Technologien entwickeln, die die Grundlage für den Fortschritt in der Biologie und der Medizin sind.
Wie Sidney Brenner gesagt hat, man braucht erst die neuen Methoden, um dann neue Entdeckungen zu machen, um dann neue Ideen zu bekommen, wie die Welt funktioniert.
Beispiele, Mikroskopie ist sehr wichtig. Ich habe darüber gesprochen, Strukturanalyse von DNS, Röntgenstrahlen, CT, MRI, PET und so weiter.
Methoden, die entweder unmittelbare Relevanz haben in der Medizin oder über den Umweg, biologische Grundlagen zu verbessern,
da noch irgendwann in der Medizin ankommen. Bei uns ist das eben diese Verformbarkeitsanalyse von Zellen, die wir ursprünglich mit Licht gemacht haben.
Jetzt haben wir dazu übergegangen, sind es auch mit Fasziet zu machen, weil es dann auch manchmal schneller gehen muss.
Der zweite Aspekt neben den Methoden ist eben auch, dass man als Physiker einen ganz anderen Blick auf die Welt hat, einen Blick auf biologische Systeme hat.
Dass man da vielleicht Aspekte herausstellen oder herausarbeiten kann, auf die ein Biologe nicht kommen würde.
Also wenn man als Biologe sich Gedanken über Gene und Proteine macht, kommt man nicht auf die Idee zu sagen, ich gucke mal, wie weich oder wie steif so eine Zelle ist.
Obwohl das vielleicht genauso wichtig ist, weil eine steife Zelle kommt nicht durch ein kleines Loch.
Wenn das nicht weich genug ist, kommt eine Zelle da nicht durch. Das ist ein fundamentales physikalisches Problem.
Dazu muss ich nicht wissen, welche Gene oder Proteine da involviert sind.
Das ist dieser zusätzliche Beitrag, den vielleicht Physiker für das bessere Verständnis von Biologie und Medizin liefern können.
Was unter anderem auch vielleicht dazu führt, Krankheiten besser zu verstehen, besser zu diagnostizieren, besser zu therapieren.
Das ist das, was wir machen. Ich finde auch dieses, noch einmal ein Zitat von einem Physiker, Richard Feynman, auch Nobelpreisträger.
Der hat in seinen Lectures on Physics, ein klassisches Lehrbuch in der Physik, das hier geschrieben zur Frage Physik, Biologie, Medizin. Wie passt das denn zusammen?
Wir müssen uns nicht dafür entschuldigen, dass wir solche Ausflüge in andere Gebiete unternehmen, weil die Einteilung in klassische Disziplinen lediglich auf der Bequemlichkeit von uns Menschen beruht.
Wir nennen das Biologie, wir nennen das Physik, wir nennen das Medizin, Chemie. Die Natur interessiert sich nicht für unsere Einteilungen.
Viele der interessantesten Phänomene spielen sich nämlich an den Grenzflächen zwischen den klassischen Disziplinen ab.
Das ist insbesondere der Grund, warum wir so gerne an dieser Schnittstelle von Physik und Biologie arbeiten, weil Physiker, die Physik machen, Biologen, die Biologie machen, super toll.
An der Schnittstelle, wo das nicht so gut befasst ist, sind auch extrem viele spannende Sachen, die man herausfinden kann, um damit vielleicht auch die Medizin voran zu bringen.
Das letzte Slide, das ist von meiner Gruppe. Das war bei einem Ausflug auf Schloss Ringberg, wo die Max-Planck-Gesellschaft einen Tagungsort hat.
Im Hintergrund sieht man den Tigernsee, unterschiedliche Finanzierungsquellen. Wir sind noch auf Twitter, demnächst dann auf Mastodon.
Ich danke Ihnen vielmals für Ihre Aufmerksamkeit, für die Fragen. Ich hoffe, Sie haben noch weitere. Vielen Dank.
Herzlichen Dank für den wunderbaren Vortrag. Ich bin mir sicher, es gibt Fragen.
Ich habe es jetzt so verstanden, dass es im Prinzip eine Messmethode ist, aber keine spektrische Analyse-Methode, um zum Beispiel einen Trockenblut zu nehmen,
durch so eine Apparatur zu steuern und dann zu sagen, der Patient hat dieses und jenes, sondern ich kann damit die Eigenschaften von gewissen Zelltypen bestimmen und daraus dann Rückflüge ziehen.
Das könnte dieses und jenes sein. Ist das richtig?
Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Frage richtig verstanden habe. Es ist eine Messmethode, man kann einen Tropfen Blut nehmen und eine Diagnose daraus ableiten.
Kann man das anhand der verfiebenden Eigenschaften sagen, dass es nicht das Krankheitswesen ist?
Das ist das Ziel, das wir verfolgen. Das ist die Arbeitshypothese. Wie gut das funktioniert, müssen wir sehen.
Wir haben gerade ein sehr spannendes Projekt mit der Kinderklinik in Erlangen, weil wir ein Gerät in das Routinenlabor für die Analysen stellen konnten.
Wir messen alle Blutproben, die in das Labor reinkommen, routinemäßig analysiert werden mit unserer Methode mit.
Wir haben jetzt in zwei Jahren, glaube ich, 6.000 Proben gemessen oder so, um dann zu korrelieren, welche Krankheiten, welche Krankheitsbilder, welche Komplikationen können wir in unserer Methode auch sehen oder vielleicht überhaupt sehen.
Dann können wir das schneller sehen, frühere Veränderungen erkennen usw.
Das heißt, wie gut das funktioniert, das müssen wir jetzt ausprobieren, aber das ist eigentlich der Anspruch.
Und es ist ja nicht nur groß, klein, weich, steif. Es gibt ja noch viele andere Parameter, die man sich anschauen kann.
Wenn man so eine Zellform erstmal hat, kann man ja die Oberflächenrauchigkeit anschauen, man kann sich die Absorption anschauen, man kann sich die Granularität anschauen.
Wir arbeiten extrem viel mittlerweile mit künstlicher Intelligenz, weil wir haben ja Bilder von den Zellen.
Wenn man im Patienten also 10 Minuten das Blut misst, hat man 2 Millionen Bilder von den Zellen.
Diese gigantische Datenmenge, die natürlich supergut ist, um mit künstlicher Intelligenz dann Muster zu finden in den Bildern, in den Formen, die dann irgendwann die Diagnose oder den Zusammenhang zu einem speziellen Krankheitsbild ermöglichen.
Also wir gehen schon davon aus, dass wir unterschiedlichste Krankheiten anhand von dieser einzelnen Messungen zumindest sehr gut einschränken können,
sagen, das ist etwas mit der Lunge oder das ist irgendwas hier oder dort.
Bitteschön.
Das ist richtig. Es ist eine sehr gute Frage. Ich kann es nochmal wiederholen.
Also die Frage ist, wenn eine Zelle, es gibt verschiedene Arten, wie sich Zellen durch Gewebe durchdrücken können oder im Körper bewegen können,
wenn man die jetzt aus dem Körper herausholt, gibt es diese vielleicht unterschiedlichen Arten der Bewegungen, die sind ja nicht mehr klar, weil die Zelle ist ja nicht mehr im Kontext sozusagen.
Die Frage ist, kann man dann die unterschiedlichen Bewegungsarten, vielleicht auch Geschwindigkeiten etc. überhaupt noch messen, wenn man die Zellen erst mal aus dem Körper herausholt.
Das ist eine hervorragende Frage. Das ist auch eine Frage, die uns umtreibt.
Es ist vielleicht aufgefallen, dass wir uns hier mit Blutzellen auseinandersetzen, die man aus der Zirkulation nimmt, weil wir dann die Messung in einer Situation machen können,
die der Situation in vivo im Körper entspricht. Da ist die Verbindung deutlich einfacher.
Der Zusammenhang mit Bewegung im Gewebe ist deutlich schwieriger, genau aus dem Punkt, wir machen eine Messung, die geht Minute Sekunde und eine Zelle im Körper migriert über Minuten und Stunden.
Das ist eine ganz andere Zeitskala. Das ist das erste Problem. Das zweite Problem ist, die Migration beruht darauf, dass die Zelle sich aktiv die ganze Zeit umbaut.
Die baut am Anfang von einem Material auf und baut es hinten wieder ab.
Das heißt, wenn wir jetzt eine kurzzeitige Messung machen, ist das ein Snapshot, eine kurzzeitige Aufnahme, die nichts mit dem Prozess des Auf- und Abbaus zu tun hat.
Das heißt, es ist unheimlich schwierig, diesen Zusammenhang herzustellen zwischen der Migration im Körper über lange Zeitskalen und der kurzzeitigen Messung außerhalb des Körpers.
Die Hoffnung besteht darauf, dass eine Zelle, die schneller oder besser migrieren kann, natürlich dafür dieses Zytoskelett braucht.
Er hat die Meereffaktin, kann deswegen stärker drücken und ist deswegen schneller. Dieses Mehr an Zytoskelett ist in manchen Fällen immer noch vorhanden, wenn man die Zelle dann außerhalb des Körpers hat.
Das heißt, die Hoffnung besteht, dass man, trotzdem man die Zelle aus dem Kontext rausnimmt, die Unterschiede, die vielleicht existieren, immer noch messen kann.
Und im Fall von dem Krebs, was ich vorhin gezeigt habe, ist das auch der Fall, dass die Krebszellen, die sich ja besser ausbreiten können, auch wenn man die dann aus dem Körper rausholt und vergleicht mit anderen Zellen, gesunden Zellen, die man aus dem Körper rausholt, dass dieser Unterschied immer noch messbar ist.
Dazu kommt, dass wir auch an Methoden arbeiten, wie man die Migration und die Mechanik der Migration von Zellen in situ, in dem Punkt messen kann, wo die Zellen migrieren, dass man die gar nicht rausholt.
Das ist nicht das, was man mit dieser Methode machen kann, aber das ist wiederum eine Methode oder ein Aspekt, wo Licht extrem wichtig wird, weil man mit Licht Innengewebe rein gucken kann und sogar Innengeweben ertasten kann, wie weich und steif Zellen sind.
Das ist eine andere Methode, da hatte ich keine Zeit, darauf einzugehen. Das ist auch ein bisschen abgefahrener, schwieriger zu erklären, als die Birioren-Mikroskopie.
Das ist etwas, was wir im Moment an Zebrafischen entwickeln, weil die Zebrafische besonders transparent sind, weil man das sehr gut reinschauen kann.
Das heißt, wir haben auch Versuche, Tiermodelle, die notwendig sind, um genau solche Fragen zu beantworten.