Wenn Regine Gradl in der Vergangenheit brillante Aufnahmen von Mäuse-Lungen erhalten wollte, musste sie 9300 Kilometer weit von München bis nach Japan reisen. In der Präfektur Hyögo steht ein Synchrotron, ein ufoartig anmutender und fast 1500 Meter breiter silbriger Ring inmitten der grün bewaldeten Hügellandschaft. An diesem Teilchenbeschleuniger konnte die Physikerin ihre Versuche zur Röntgen-Phasenkontrast- Technik durchführen. "Meine Kollegen und ich erforschen, wie wir die Bildgebung der Computertomografie verbessern können. Während man in einem normalen Röntgengerät in aller Regel nur die Knochen sieht, zeigt die am Synchrotron entstandene Technik der Phasenbildung auch das Weichgewebe. Dadurch lassen sich beispielsweise Tumoren erkennen. Die Bilder sind sowohl für klinische Ärzte als auch für Grundlagenforscher interessant", erläutert Gradl, die soeben am Institute for Advanced Study der Technischen Universität München (TUM-IAS) promoviert. Neuerdings muss die angehende Doktorin der Biomedizinischen Physik für ihre Forschung nicht mehr bis nach Japan fliegen. Denn auf dem Campus ihres Instituts befindet sich seit 2015 ein Mini-Synchrotron. Es ist nicht größer als ein VW Golf und bislang einzigartig auf der Welt. Physiker, Radiologen und Mediziner interessieren sich gleichermaßen für das Gerät. Denn jederzeit verfügbar, füllt es die Lücke zwischen gewöhnlichen Laborquellen und Großforschungsanlagen wie in Japan, an denen Forscher nur limitierte Messzeiten erhalten. Dass dieses in Kalifornien gefertigte Kompakt-Synchrotron seine Heimat an der Technischen Universität München gefunden hat und von Wissenschaftlern des TUM-IAS genutzt wird, überrascht nicht. Das TUM-IAS wurde 2005 als internationales und interdisziplinäres Forschungsinstitut gegründet. Es bündelt die Spitzenforschung der Technischen Universität in den Ingenieur- und Naturwissenschaften, den Life Sciences und der Medizin. Außerdem ist es Teil der Exzellenzinitiative, mit der Bund und Länder die Wissenschaft und Forschung an deutschen Hochschulen fördern. Interdisziplinarität spielt bei der Spitzenforschung an Hochschulen eine zunehmend große Rolle. Die Technische Hochschule Aachen beispielsweise erforscht in ihrem Exzellenzcluster neue Kraftstoffe auf Basis von Biomasse und vernetzt hierfür die Expertise von Physikern, Chemikern, Biologen, Prozesstechnikern und Maschineningenieuren. Und am Exzellenzcluster "Bild Wissen Gestaltung. Ein interdisziplinäres Labor" der Humboldt-Universität zu Berlin kooperieren Forscherinnen aus 25 Disziplinen, darunter Architekten, Designer oder Mediziner.

Neue Möglichkeiten in der Diagnostik

Von dem Potenzial der Hochschulen möchten auch außeruniversitäre Einrichtungen verstärkt profitieren. So sprach sich der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, Max Stratman, unlängst dafür aus, dass sich Max-Planck-Forscher und Universitätsprofessoren in überregionalen Bildungsund Forschungsnetzwerken zu themenzentrierten Schools zusammenschließen sollten. Dadurch würden Deutschlands Spitzenforscher international noch sichtbarer, so Stratmanns Anregung. Der Forscher Peter Noël, Professor für Medizinische Physik, ist in zahlreichen Disziplinen zu Hause. Er studierte Biomedizinische Technik und promovierte in den USA in Informatik. Seit sieben Jahren arbeitet er am Klinikum rechts der Isar und gehört wie Regine Gradl zum Verbund der IAS-Forscher um das Kompakt-Synchrotron. Weil er sich in Medizin und Physik gleichermaßen auskennt, kann er wie ein Dolmetscher vermitteln, wenn Vertreter beider Disziplinen am Synchrotron forschen und sich über ihre Ergebnisse austauschen. Aktuell geht es in der gemeinsamen Arbeit vor allem um die Diagnostik von COPD, also von der "chronisch obstruktiven Lungenerkrankung". In Deutschland leiden ungefähr fünf Millionen Menschen daran: "Bei den Patienten löst sich die aus kleinen Bläschen bestehende Lungenstruktur allmählich auf. Diesen Zerstörungsprozess der Alveolen in der Bildgebung darzustellen ist derzeit noch nicht möglich. Erst wenn massive Schäden eingetreten sind, kann der Arzt sie auf herkömmlichen Röntgenbildern erkennen. Für die Früherkennung kommt die Arbeit am Synchrotron ins Spiel. "Das Synchrotron-Labor auf dem Campus in Garching ist eine etwa 20 Meter lange Halle mit einem Raum im Raum. In dieser Kammer steht das Kompakt-Synchrotron. Es ist fast täglich in Betrieb, beispielsweise wenn Regine Gradl damit Mäuse-Lungen röntgt. Auf einem Probehalter setzt Gradl die Maus der Strahlung aus. "Der Vorteil unseres Synchrotrons ist, dass es, im Gegensatz zu gewöhnlichen Laborquellen, brillante nahezu einfarbige Strahlung produziert und damit eine gute Voraussetzung für die Phasenkontrast-Bildgebung schafft", erklärt Gradl. Die Phasenkontrast-Bildgebung misst, wie stark die verwendete Probe die Abfolge von Schwingungstal und Schwingungsberg – die Phase – der Strahlungswelle beeinflusst. Das Ergebnis sind Projektionen oder Tomografien mit Auflösungen im Mikrometerbereich, in denen sich die Lunge vom umgebenden Gewebe unterscheiden lässt. Gradl speichert die Aufnahmen, anschließend trifft sie sich mit dem Team aus Physikern, Radiologen und Medizinern zur Auswertung. Das Forschen im Verbund ermöglicht den Wissenschaftlern, mehrere Interessen gleichzeitig zu verfolgen, erklärt Peter Noël: "Wir beschäftigen uns einerseits mit Grundlagenforschung und haben dafür Maus- Modelle. Diese transferieren wir in die Physik, um neue Technologien zu testen. Und dann nutzen wir unsere klinischen Partner, um die gewonnenen Bilder im Hinblick auf die Verbesserung in der Diagnostik auszuwerten."

Um die Perspektive der industriellen Anwendung einzubinden und den Transfer in die Unternehmen zu gewährleisten, bindet das TUM-IAS Wissenschaftler aus der Industrie in die jeweiligen Forschungsgruppen ein. So sind im Team Mitarbeiter der Firma Philips Healthcare an den neuesten Technologien in der diagnostischen Bildgebung interessiert. Auch Noël, der im Krankenhaus arbeitet, fasziniert die Vorstellung, dass eines Tages im Alltag der Medizin ein kleinformatiges, möglicherweise mobiles Synchrotron eine brillante Bildgebung ermöglichen könnte. Er ist überzeugt: "Dadurch würden sich ganz neue Möglichkeiten der Diagnostik beispielsweise in der Onkologie eröffnen."

Von Carola Hoffmeister