Röntgenblick in die Black Box
Mithilfe der Röntgenfluoreszenz-Bildgebung möchte die Physikerin Dr. Theresa Staufer Forschenden wertvolle Einblicke in die molekularen Prozesse lebender Mechanismen ermöglichen. So sollen künftig Krankheiten besser erkannt und die notwendigen Wirkstoffe gezielter eingesetzt werden können.
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„Darf ich vorstellen: Das ist SCOTTI“, sagt Theresa Staufer lächelnd und deutet auf einen Kasten, der so groß ist wie sechs Kühlschränke. Er besteht aus grauem Metall, ein Warnsymbol für Röntgenstrahlung ist darauf, daneben ein Schild: SCOTTI. „Machen wir SCOTTI mal auf.“ Die 32-jährige Österreicherin, braune Haare, wache Augen, öffnet zwei große Metalltüren in dem Kasten: Darin befinden sich Kabel, elektronische Bauelemente und eine Halterung – zum Beispiel für Proben, wie Staufer erklärt.
Auf der anderen Seite ragt ein kleines Rohr heraus – ein Röntgengerät. SCOTTI gibt es seit anderthalb Jahren. Er erlaubt uns, endlich kontinuierlich zu forschen“, sagt Theresa Staufer. Denn bevor sie SCOTTI vor anderthalb Jahren entwickelt hatten, konnten Theresa Staufer und ihr Team nur mit PETRA III arbeiten. PETRA III ist eine Röntgenstrahlungsquelle auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotrons, kurz DESY, im Nordwesten Hamburgs. Hier befinden sich auch die Räume und Labore anderer Forschungseinrichtungen, darunter das von Theresa Staufer, die beim Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg angestellt ist.
Die gigantische Anlage PETRA III ist 2,3 Kilometer lang und verläuft teilweise unterirdisch – und die Strahlzeiten an PETRA III sind im Grunde 24 Stunden jeden Tag gebucht. Theresa Staufer und ihr Team bekommen nur etwa drei Tage im Halbjahr, die müssen dann optimal genutzt werden. Mit SCOTTI haben sich die Wissenschaftlerin und ihre Arbeitsgruppe etwas unabhängiger von PETRA III gemacht.
Fein gebündelten Röntgenstrahlen
Theresa Staufer forscht mit fein gebündelten Röntgenstrahlen, die für die Röntgenfluoreszenz-Bildgebung nötig sind. Zwar gibt es diese Technologie schon seit mehr als 50 Jahren, aber lange wurde sie nur in der Materialforschung angewandt. Erst Weiterentwicklungen in jüngster Zeit – darunter auch Verbesserungen von dem Team rund um Theresa Staufer und ihren Chef, Professor Florian Grüner – ermöglichen zunehmend eine medizinische Anwendung.
So kann man mit der Röntgenfluoreszenz heute ein Stück weit auch in lebendes Gewebe hineinschauen, beispielsweise kann die Technologie vorher markierte und dann injizierte Zellen in lebenden Mäusen sichtbar machen. Für die medizinische Forschung ist das enorm wertvoll. Denn in vielerlei Hinsicht ist Medizin noch immer eine Black Box: ein Medikament wird verabreicht und erzielt eine Wirkung. Was aber dazwischen geschieht, wie sich das Medikament im Körper verteilt und wie genau es über welche Mechanismen wo wirkt, darüber können die Forscher:innen häufig nur mutmaßen.
Wir können zum Beispiel Immunzellen markieren und verfolgen, wie sie auf bestimmte Krankheiten reagieren und wie sie sich verhalten.
Dr. Theresa Staufer
Die Röntgenfluoreszenz ermöglicht einen Blick in diese Black Box. „Wir können zum Beispiel Immunzellen markieren und verfolgen, wie sie auf bestimmte Krankheiten reagieren und wie sie sich verhalten“, sagt Theresa Staufer. Das ist erst einmal in der vorklinischen Forschung ein großer Gewinn: „Wir verstehen besser: Wie reagiert das Immunsystem auf welche Veränderungen? Und dank der beim Tier angewandten Röntgenfluoreszenz lässt sich damit in Zukunft abschätzen, ob es sich lohnt, einen Wirkstoff weiter zu verfolgen oder nicht. Das spart wertvolle Zeit“, so Staufer.
Links oben unten: Theresa Staufer kommt eigentlich immer mit dem Fahrrad zur Arbeit. Die meiste Zeit verbringt sie im Labor – dort befindet sich auch SCOTTI.
Rechts unten: Theresa Staufer mit zwei ihrer Teammitglieder.
Darüber hinaus sucht die junge Österreicherin auch nach Möglichkeiten, die Rötgenfluoreszenz direkt an Patient:innen anzuwenden. Neue Darmveranderungen im Rahmen der entzündlichen Darmerkrankung Morbus Crohn etwa können haufig kaum von Tumoren unterschieden werden. "Ich kann mir vorstellen, dass wir das in Zukunft mit Röntgenfluoreszenz zuverlassiger feststellen können", sagt Staufer. Eine andere Möglichkeit: Ein Tumor und seine Metastasen könnten dank Röntgenfluoreszenz sichtbar gemacht werden, um diese gezielter behandeln zu können.
Natürlich ist die Röntgenfluoreszenz mit einer gewissen Strahlenbelastung verbunden – aber mithilfe verschiedener Methoden ist es Theresa Staufer und ihrem Team gelungen, sie zu minimieren. „Im Vergleich zu einer CT-Aufnahme ist die Strahlung bei uns schon deutlich geringer“, sagt Staufer. Für den Einsatz von Röntgenfluoreszenz am Menschen ist SCOTTI auch ein Prototyp, denn keine Klinik kann sich einen Teilchenbeschleuniger wie PETRA III leisten.
Staufers Forschung ist eine stark interdisziplinäre Arbeit: Als Physikerin kümmert sie sich um die Optimierung der Röntgenquelle und -methode – zugleich arbeitet sie eng mit Me-dizinern und Biologen zusammen. „Im Laufe der Zeit bekomme ich immer mehr Ahnung von Anatomie und die medizinischen Kollegen mehr von Physik“, sagt Staufer lachend. „Wenn wir uns treffen, führen wir unser Wissen zusammen, das ist häufig inspirierend, danach gehe ich oft mit einem Haufen neuer Ideen zurück ins Labor“, sagt Staufer.