Biophotonik - Licht für das Leben

Licht hat das Potenzial, die Ursprünge von Krankheiten zu erkennen, ihnen vorzubeugen oder sie frühzeitig und schonend zu heilen. Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts Biophotonik unterstützt das BMBF zahlreiche Projekte, die mit optischen Mitteln Krankheiten auf die Spur kommen wollen. Mit Hochdruck arbeiten Forscher und Forscherinnen an Methoden, um die Ursachen für Krankheiten wie beispielsweise Krebs oder Infektionen zu finden oder die Behandlung von Allergien zu verbessern.

Im Mittelpunkt der Biophotonik-Forschung steht die Anwendung der einzigartigen Eigenschaften von Licht auf die Bereiche Biotechnologie, Medizintechnik, Pharmazie und Lebensmittelherstellung. Mit Licht gelingen Darstellungen von mikroskopisch kleinen Abläufen, etwa innerhalb von lebenden Zellen, in extrem kurzer Zeit und "berührungslos" - also ohne den Prozess zu stören oder zu beeinflussen. Bisherige Diagnoseverfahren liefern oft erst nach Wochen ein Ergebnis. Sie sind wesentlich ungenauer als Licht, da nur das Licht über eine Vielzahl von Parametern wie seine spektralen Eigenschaften Wellenlänge, Phase, Bandbreite sowie Intensität, Pulsdauer und Fokussierbarkeit verfügt.

Neuer Pollenmonitor sorgt für präzisere Pollenflugvorhersagen

Die beste Gegenmaßnahme bei Allergien ist das Vermeiden von Reizstoffen, wie bestimmten Nahrungsmitteln oder Medikamenten. Bei den in der Natur verbreiteten biologischen Allergenen, etwa bei Pollen oder Pilzsporen, ist dies jedoch nur schwer möglich. Um die Gegenmaßnahmen besser anzupassen, ist ein funktionierendes und aktuelles Informationsnetz notwendig, das im vom BMBF geförderten Verbundprojekt "OMNIBUSS" konzipiert wird.

Ein wesentlicher Baustein dieses Informationsnetzes ist eine neue Messstation, die Anfang März vorgestellt wurde: Der "Pollenmonitor" untersucht die Luft vollautomatisch und identifiziert mit Hilfe optischer Technologie die unterschiedlichen Pollenarten. Diese Analyse wurde bisher sehr zeit- und personalintensiv unter dem Mikroskop vorgenommen. Die gewonnenen Daten werden anschließend für die Pollenvorhersage des Deutschen Wetterdienstes (DWD), einem der Partner im "OMNIBUSS"-Projekt, verwendet und kann durch präzisere Vorhersagen die Lebensqualität der etwa 12 Millionen Pollenallergiker in der Bundesrepublik verbessern.

Fortschritte bei der Behandlung von Krebs und Infektionen

Diese Eigenschaften sind auch bei der Behandlung von  Krebs entscheidend. Werden Tumore erst in einem späten Stadium erkannt, kann es unter Umständen bereits zur Bildung von Metastasen gekommen sein. Je früher eine Behandlung einsetzt, desto besser sind die Heilungschancen. Die Optischen Technologien leisten inzwischen einen wesentlichen Beitrag zu einer deutlich verbesserten Früherkennung. An einer noch besseren optischen Diagnostik von beispielsweise Darmkrebs oder der Visualisierung von Knoten und Verhärtungen wird derzeit gearbeitet.
Auch beim Kampf gegen Infektionen spielt Licht eine wichtige Rolle. Das verstärkte Auftreten von Antibiotika-Resistenzen erschwert oftmals die Behandlung dieser Krankheiten. Besonders gefährlich ist die Tuberkulose, deren Erreger rund ein Drittel der gesamten Weltbevölkerung in sich trägt. Für die Forscher und Forscherinnen ist zum einen wichtig, dass die Erreger schnell und sicher identifiziert werden. Zum anderen müssen Antibiotika-Resistenzen frühzeitig erkannt werden. Schnell wachsende Erreger können derzeit zwar mit auf Bakterienkulturen basierenden Methoden nachgewiesen werden. Es dauert jedoch mehrere Stunden oder sogar Tage bis ein Ergebnis vorliegt. Daher wird nach neuen optischen Lösungsansätzen gesucht, die es zum einen ermöglichen, die Art des Erregers schnell zu ermitteln, und zum anderen Resistenzen gegen Antibiotika in kürzester Zeit festzustellen.

Biophotonik als Innovationsmotor

Doch nicht nur für die Gesundheitsforschung spielt die Biophotonik eine wesentliche Rolle. Auch ihr Einfluss auf Wachstum und Beschäftigung in Deutschland ist enorm. Durch die Optischen Technologien kann die Produktivität in der Pharmaforschung deutlich erhöht werden. Zudem sind sie wichtige Innovationsfaktoren der Medizintechnik.

Das Produktionsvolumen der deutschen Medizintechnikindustrie liegt bei etwa 14 Milliarden Euro. Das entspricht einem Anteil von 14 Prozent am weltweiten Umsatz von etwa 100 Milliarden Euro. In den Industrienationen ist dabei ein jährliches Wachstum von etwa fünf bis sieben Prozent zu verzeichnen. Ein Exportanteil der deutschen Medizintechnik von etwa 50 Prozent unterstreicht ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit.

Erkennbar ist in diesem Bereich der Trend zu Geräten, die verstärkt optische Sensoren, Faseroptiken, Diodenlaser und LEDs und andere optoelktronische Technologien zur Verbesserung der Diagnose und Therapie verwenden.

Ziele und Maßnahmen

Eine effiziente Forschung in der Biophotonik erfordert den interdisziplinären Austausch von Medizinern und Medizinerinnen sowie Naturwissenschaftlern und Naturwissenschaftlerinnen unterschiedlicher Fachrichtungen. Um dies zu stärken und die vorhandenen Technologiepotenziale in Deutschland optimal zu nutzen, hat das BMBF im Jahre 2001 die Förderinitiative "Biophotonik" ins Leben gerufen. Dafür wurden bislang etwa 20 Millionen Euro an Fördermitteln bereitgestellt.

Forschungsgegenstände sind u. a. mikroskopische Verfahren, optische Spektroskopiemethoden, Screening-Verfahren an zellulären Systemen sowie Sonden- und Markertechnologien. Konkrete Ziele für die Forschungsarbeiten sind die Tumorfrüherkennung, die Erforschung eines vielseitigen Biochip-Lese-Gerätes zur Genanalyse, die Detektion bakterieller Kontaminationen und die schnelle und zuverlässige Pollenvorhersage. Nicht zuletzt aufgrund dieser Aktivitäten sind deutsche Forscherinnen und Forscher heute international führend im Bereich der Biophotonik.

Im Jahr 2005 startet die zweite Förderphase. Hierfür sind insgesamt 25 Millionen Euro vorgesehen. Ein wesentliches Ziel ist es, die hervorragenden Ergebnisse deutscher Forschungseinrichtungen durch eine enge Kooperation mit der Industrie in innovative Produkte und Dienstleistungen umzusetzen. Hiervon erwartet das BMBF einen erheblichen gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Nutzen für Deutschland.