Ungewöhnliche Spurensuche : Astronomen fahnden nach Mikroplastik

Potsdamer Astrophysiker entwickeln einen Spektrografen, mit dem winzige Kunststoff-Teilchen im Körper entdeckt werden können.

Jan Kixmüller
Winzige Mikroplastik-Partikel werden sichtbar gemacht (l.) und analysiert (M. u. r.) 
Winzige Mikroplastik-Partikel werden sichtbar gemacht (l.) und analysiert (M. u. r.) Abb: Martin Roth/AIP

Eigentlich beobachtet Astrophysiker Martin Roth Galaxien, Sterne und planetarische Nebel. Dazu wurde am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) in Potsdam eigens ein besonderer Spektrograf namens „Muse“ entwickelt, mit dessen Hilfe extrem scharfe Bilder von Himmelskörpern erstellt werden können. 

Doch nun wechselt Roth für ein Projekt des Bundesforschungsministeriums die Perspektive. Das bildgebende Verfahren soll in Zukunft auch die Suche nach Mikroplastik im menschlichen Körper ermöglichen.

Winzigen Kunststoffpartikel im Körper

Mikroplastik kann mittlerweile auf vielerlei Wegen in den Körper gelangen, etwa durch den Verzehr von Fisch oder Meeresfrüchten. Aber auch auf Obst- und Gemüsefelder gelangen die winzigen Kunststoffpartikel mittlerweile durch Klärschlamm und Plastikfolien - und könnten so letztlich über die Nahrungskette auch beim Menschen ankommen. 

Ob die winzigen Kunststoffpartikel sich im Organismus anreichern und Schaden anrichten, ist noch weitgehend unbekannt. Dazu sollen nun unter anderem Methoden aus der Astrophysik zum Einsatz kommen.

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Das neue Beobachtungsverfahren soll bereits in zwei Jahren erste Ergebnisse liefern – auch um zu klären, ob der Eintrag von Mikroplastikpartikeln in die Umwelt und damit in den menschlichen Körper eine der Ursachen für neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson, Herz-Kreislauferkrankungen oder Krebs sein kann.

Dafür hat das Bundesforschungsministerium das mit 4,5 Millionen Euro geförderte Projekt „PlasMark“ ins Leben gerufen. Das Verbundprojekt fördert die Forschung an drei Zentren für Innovationskompetenz (ZIK) der ostdeutschen Länder: plasmatis am Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie Greifswald (INP), HIKE an der Universitätsmedizin und Universität Greifswald und innoFSPEC am Potsdamer AIP.

Ein multidisziplinäres Forschungsteam aus den Bereichen Physik, Biochemie, Biologie und Pharmazie hat sich in Potsdam zum Ziel gesetzt, eine markierungsfreie Diagnostik von Plastikpartikeln im Gewebe zu ermöglichen. Drei Ansätze werden dazu untersucht, die konfokale Raman-Spektroskopie aus der Astrophysik, die Terahertz-Spektroskopie – bekannt von Bodyscannern an Flughäfen – und die multispektrale Licht- und Elektronenmikroskopie.

Einzigartige Beobachtungen mit Muse-Spektrograf

AIP-Forscher Martin Roth befasst sich mit der konfokalen Raman-Spektroskopie. Mit dem Very Large Telescope (VLT) in Chile konnten mit dem eigens dafür entwickelten Muse-Spektrografen einzigartige Beobachtungen gemacht werden.

Die Technik ermöglicht ein extrem weites Gesichtsfeld und unterdrückt Effekte der Atmosphäre noch besser als bisherige Verfahren. So konnten beispielsweise Aufnahmen von Details in Neptuns Wolken gemacht werden, die an Schärfe sogar des Hubble-Weltraumteleskops übertrafen. Damit entdeckten die Astronomen auch planetarische Nebel, die sonst nicht zu finden gewesen wären.

Fluoreszierende Mikroplastikpartikel unter einem Raman-Mikroskop.
Fluoreszierende Mikroplastikpartikel unter einem Raman-Mikroskop.Foto: AIP

Mit der Raman-Spektroskopie ist es möglich, die Kunststoffpartikel ihrem Ursprungsmaterial, etwa Polyethylen, Polystyrol, oder PVC exakt zuzuordnen. Dazu wird ein Laserstrahl auf eine Probe gerichtet, das gestreute Licht ist dann mit einem Fingerabdruck der Substanz versehen. Es entsteht dabei ein für die jeweilige Substanz charakteristisches Muster aus Spektrallinien.

„Während das für hinreichend große Kunststoffstücke gut funktioniert, besteht die Herausforderung für das Team darin, diese Fingerabdrücke auch für kleine und kleinste Partikel nachzuweisen“, erklärt Roth. „Ziel ist es, Gewebeproben in einer Klinik routinemäßig durch ein Gerät laufen zu lassen, das mit Hilfe des Raman-Verfahrens die Mikrometer kleinen Plastikteilchen aufleuchten lässt“, sagte Roth dem Tagesspiegel.

Analyse mit nur einem Schuss

Mit herkömmlichen Raman-Mikroskopen ist das Abtasten von Gewebeproben sehr zeitaufwändig, es kann viele Stunden bis Tage dauern. Die Potsdamer Astrophysiker haben es sich nun zum Ziel gesetzt, einen bildgebenden Raman-Spektroskopieaufbau zu realisieren, der es erlaubt, Plastikpartikel schon nach Minuten oder Sekunden zu identifizieren.

„Ermöglicht wird dies durch Weitfeldspektrografen aus der Astronomie – dort kommt diese Technik in Observatorien zum Einsatz, um wertvolle Beobachtungszeit zu sparen“, sagt der Astronom. „Anstatt ein komplexes Objekt in vielen Stunden und Tagen abzurastern, gelingt es damit in einem Schuss.“

Martin Roth war von einem Chemiker angesprochen worden, der festgestellt hatte, dass die unterschiedlichen Disziplinen eigentlich Ähnliches machen. So war zuerst die Idee für eine andere Anwendung der Muse-Technologie entstanden. Zusammen mit der Berliner Charité wird bereits ein Spektrograf aus der Astrophysik für die Krebsdiagnostik validiert.

„Wir haben Teile des komplexen Instruments nicht wie gewöhnlich in ein Teleskop, sondern in ein Mikroskop schauen lassen, um gesunde Zellen von Hautkrebszellen zu unterscheiden“, erklärt Roth.

Die Bildgebung mit nur einer Aufnahme ist eine Errungenschaft der AIP-Forscher. „Eine solches Verfahren ist extrem aufwändig, das machen eigentlich nur Astronomen.“ Nun soll es auch in der Medizin weiterhelfen.