Physikalische Chemie II (Material– und Biophotonik) Prof. Dr. Jürgen Popp Forschungsschwerpunkte Die Forschung der AG Popp zeigt, wie moderne photonische/ spektroskopische Verfahren mit Nanotechnologie, Biowissenschaften und künstlicher Intelligenz (KI) kombiniert werden können, um innovative Anwendungen in der Physik, Biologie und Medizin zu schaffen. Besonders in der klinischen Diagnostik erweist sich die Integration von KI und Spektroskopie als vielversprechender Ansatz zur Optimierung der klinischen Diagnostik und Therapie. Die Symbiose aus künstlicher Intelligenz (KI) und spektroskopischen Verfahren in der Krebsforschung bildet einen zentralen Forschungsbereich der AG Popp. Ziel ist es, die Diagnosegenauigkeit zu verbessern und minimalinvasive Behandlungsmethoden zu entwickeln. In diesem Zusammenhang konnten in den Jahren 2022-2024 drei wichtige Arbeiten publiziert werden: • In-vivo Raman-Spektroskopie für die Blasenkrebs-Diagnostik: Ein endoskopisches RamanSpektroskopie-System — welches in Übereinstimmung mit der europäischen Medizinprodukteverordnung (MDR2017/745) entwickelt wurde — ermöglicht die sofortige Erkennung von Blasenkrebs direkt während der Operation. Durch die Analyse spektraler Daten kann eine präzise Unterscheidung zwischen gesundem und tumorösen Gewebe getroffen werden, was die chirurgische Entscheidungsfindung verbessert. • Echtzeit-Raman-Bildgebung mit Augmented Reality: Ein neu entwickeltes faseroptisches Raman-Imaging-System nutzt computerbasierte Positionsverfolgung zur Echtzeit-Visualisierung KI-gestützte Spektroskopie für die Krebsdiagnostik Abb.1. A) Aufnahme von kompakten CARS/TPEF/SHG Endomikroskopiesystem (B) Multimodales nichtlineares Bild eines Lymphknotens aufgenommen mit kompaktem Endomikroskopiesystem. Bild adaptiert von Ref. [3] molekularer Gewebestrukturen. Dies verbessert die Erkennung krankhafter Areale und könnte die chirurgische Präzision bei Tumoroperationen erhöhen. • Multimodale, KI-gestützte Bildgebung und Laserablation für Tumorentfernung: Durch die Integration von Kohärenter Anti-Stokes-RamanStreuung (CARS), Zwei-Photonen-Fluoreszenz (TPEF) und Second-Harmonic-Generation (SHG) in ein Endomikroskop in Kombination mit KI-gestützter morphochemischer Analyse wird eine hochpräzise Tumorerkennung ermöglicht. Zusätzlich wurde ein ultrakurzer Laser für selektive Gewebeablation integriert, wodurch ein „Seek-and-Treat“-Ansatz für minimalinvasive Krebsbehandlungen realisiert wird. Diese Arbeiten, welche in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thomas Bocklitz, dem Universitätsklinikum Jena und lokalen Jenaer Firmen entstanden sind, zeigen, dass durch die Kombination von KI und Spektroskopie ein leistungsfähiges diagnostisches Instrument entsteht, das die Tumorerkennung und -behandlung revolutionieren könnte. Diese Arbeiten markieren einen wichtigen Schritt hin zu einer patientenschonenden, hochpräzisen Onkologie. [1] I. Latka, K. Mogensen, F. Knorr, C. Kuzucu, F. Windirsch, D. Sandic, J. Popp, G. G. Hermann & I. W. Schie (2024): Raman Spectroscopy for Instant Bladder Tumor Diagnosis: System Development and In Vivo Proof-Of-Principle Study in Accordance with the European Medical Device Regulation (MDR2017/745). Cancers, https://doi.org/10.3390/ cancers16183238. [2] W. Yang, F. Knorr, I. Latka, M. Vogt, G. O. Hofmann, J. Popp & I. W. Schie (2022): Real-time molecular imaging of near-surface tissue using Raman spectroscopy. Light: Science & Applications, https:// doi.org/10.1038/s41377-022-00773-0. [3] M. Calvarese, E. Corbetta, J. Contreras, H. Bae, C. Lai, K. Reichwald, T. Meyer-Zedler, D. Pertzborn, A. Mühlig, F. Hoffmann, B. Messerschmidt, O. Guntinas-Lichius, M. Schmitt, T. Bocklitz & J. Popp (2024): Endomicroscopic AI-driven morphochemical imaging and fs-laser ablation for selective tumor identification and selective tissue removal. Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.ado9721. 114 — FORSCHUNG
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