Prof. Dr. Florian Grüner

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Prof. Dr. Florian Grüner

Universität Hamburg
Fachbereich für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften; Institut für Experimentalphysik

Prof. Dr. Florian Grüner

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Fachbereich für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften; Institut für Experimentalphysik

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Forschende der Experimentalphysik treibt nichts Geringeres an als das Streben nach einem tiefen und lückenlosen Verstehen aller Mechanismen unseres Universums – und hierfür bedarf es nicht nur Entschlossenheit, sondern auch ein Denken über die Grenzen einzelner Disziplinen hinaus. Auf diese Weise werden einstige Experimente der Physik zu technischen Erkenntnissen, die als neu gewonnene Bausteine zum Verständnis der Welt beitragen. Professor Grüner der Universität Hamburg paart sein Wissen der Experimentalphysik mit dem Fachbereich der Medizin, um die Welt regelrecht zu durchleuchten: Mithilfe verschiedener Durchbrüche in der Forschung und Patentanmeldungen zu Erfindungen in der medizinischen Bildgebung eröffnet er neue Perspektiven, die Leben retten können, aber auch ganz neue Einblicke in biomedizinische Vorgänge im Körper ermöglichen.

Mit Goldpartikeln selbst winzige Tumore sichtbar machen

Eine möglichst frühe Erkennung von Tumoren ist von großer Bedeutung für eine erfolgreiche Behandlung erkrankter Patientinnen und Patienten. Genau an diesem Punkt setzt Professor Florian Grüner mit seiner Forschungsgruppe an: Ihm gelingt es, Signale der Röntgenfluoreszenz so aufzubereiten, dass sie erstmalig für die medizinische Bildgebung im menschlichen Körper einsetzbar werden. Sein Verfahren beruht auf Elementen, die im Röntgenbereich fluoreszieren, beispielsweise Goldnanopartikel, an die Antikörper gebunden sind und die damit an Tumoren oder erkranktem Gewebe anheften. Wenn diese Nanopartikel mit einem Röntgenstrahl angeregt werden, können sie Röntgen-„Echos“ emittieren. Bisher war es aber bei so großen Objekten, wie ein Mensch es ist, nicht möglich, diese relativ schwachen Fluoreszenz-Signale im gemessenen Röntgenspektrum zu erkennen, da diese durch gestreute Röntgenstrahlung schlicht untergehen. Durch eine sehr genaue Analyse dieser Streustrahlung gelang es dem Team, Algorithmen zu entwickeln, um diese Störung möglichst stark zu reduzieren. Durch das damit nun mögliche in vivo tracking von Immunzellen, die etwa mit Goldnanopartikel markiert sind, lässt sich Professor Grüner’s Verfahren neben der Anwendung in der Pharmakokinetik auch auf diverse andere Fragestellungen der Medizin übertragen, insbesondere auf die sog. immun-vermittelten Entzündungskrankheiten (wie etwa Morbus Crohn), wo die Dynamik verschiedener Typen von Immunzellen eine zentrale Rolle für zukünftige Therapien spielen. Auf diesem Gebiet wurde eine sehr enge Kooperation mit den beiden Gruppen von Prof. Dr. Samuel Huber (UKE) und Prof. Dr. Wolfgang Parak (ebenfalls UHH) etabliert.

Kielfeld-Beschleuniger als ortsunabhängige Röntgenquellen

Grundvoraussetzung für den Einsatz des Bildgebungsverfahrens von Professor Grüner ist es, dass ein sehr schmalbandiges Spektrum der Röntgenquelle vorliegt. Möglich macht dies derzeit die Infrastruktur des DESY in Hamburg und ihre Beschleunigeranlagen. Damit das Verfahren später lokal flexibel verwendet werden kann wie bspw. in Kliniken, die keinen direkten Zugang zu einer Synchrotronanlage als Strahlungsquelle haben, erforscht Professor Grüner kompakte laserbasierte Strahlungsquellen als mögliche Alternative. Seit fast zwei Jahrzehnten verfeinert er in Kooperation mit seinen Kollegen daher sog. Kielfeld-Beschleuniger (Wakefield Accelerator), um damit fein gebündelte und schmalbandige Röntgenstrahlung zu erzeugen.

Ein verlässlicher Partner, um Forschung praktisch anzuwenden

Professor Grüner ist ein enthusiastischer Physiker, der stets motiviert ist, seine Forschung gemeinsam mit seinem etwa fünfzehnköpfigen Team voranzutreiben und seine Ergebnisse durch ihren praktischen Einsatz nachhaltig der Gesellschaft zugutekommen zu lassen. Dies gelingt ihm durch das Überschreiten der Grenzen verschiedener Disziplinen: medizinische und pharmazeutische Herausforderungen sind für ihn ebenso relevant wie mathematische Simulationsmodelle oder innovative Verfahren im 3D-Druck. Gerade dieses erfolgreiche Einbringen von Impulsen und Ideen interdisziplinärer Forschungsumfelder in sein eigenes hochkomplexes wissenschaftliches Wirkungsfeld zeichnet Professor Grüner aus. Daher ist er stets an einem Austausch interessiert und freut sich über Anregungen jeglicher Art.

Aktuelle
Forschungsprojekte /
Aktivitäten

Astrophysics in the Lab

Auch für die Untersuchung von Phänomenen weit weg von unserem Planeten eignen sich Professor Grüners Wakefield-Beschleuniger: Mithilfe von ihnen lässt sich experimentelle Astrophysik im Labor betreiben. Im Rahmen des „Quantum Universe“-Exzellenzclusters beschäftigt sich das Team von Professor Grüner mit Fragen um den Ursprung, die Geschichte und die Zusammensetzung des Universums. Seine Wakefield Acceleratoren leisten hierbei einen Beitrag, um kosmische Magnetfelder besser zu verstehen. Diese Felder befinden sich in den Leerräumen des Universums, die trotz der niedrigen magnetischen Feldstärke in der Lage sind, hochenergetische Teilchenstrahlung von ihrem Kurs abzulenken. Es bedarf eines experimentellen Verfahrens in einem Labor auf der Erde, um zu prüfen, ob diese theoretischen Vorhersagen über diese Felder und ihre Wirkung auch tatsächlich zutreffen – um damit eines der Rätsel in der Astrophysik lösen zu können.

Kompakte Beschleuniger für die medizinische Bildgebung vor Ort

Damit Wakefield Acceleratoren Röntgenpulse ähnlich wie denen aus einem Synchrotron erzeugen können, müssen die Anforderungen an die Intensität und spektrale Schmalbandigkeit zur Anwendungsreife gelangen. In enger Kooperation mit dem DESY werden erste Versuche unternommen, mit einer solchen laserbasierten, kompakten Röntgenquelle Machbarkeitsstudien zur Röntgenfluoreszenz-Bildgebung voranzutreiben. Erste Daten sehen vielversprechend aus, jedoch muss die zugrundeliegende Laser-Technologie durch eine wesentliche Weiterentwicklung am DESY unter der Leitung von Prof. Dr. Wim Leemans solche Röntgenintensitäten erreichen, wie sie für klinische Anwendungen erforderlich sind. Bis dahin wird das Team von Prof. Grüner die Röntgenfluoreszenz-Bildgebung am DESY-Synchrotron weiterentwickeln und anwenden.

Zukunftsvision

Das Ziel von Professor Grüner ist es, gemeinsam mit seinem Team eine der führenden Gruppen auf dem Gebiet der medizinischen Bildgebung mittels Röntgenfluoreszenz zu werden und damit bestimmte Krankheiten besser zu verstehen und damit effektiver zu therapieren, um so Leben zu verbessern oder gar zu retten. Hierfür müssen fundamentale Mechanismen von chronischen Krankheiten aufgeklärt und die Erforschung der Pharmakokinetik massiv beschleunigt werden.

Schwerpunkte

  • Experimental- und Beschleunigerphysik
  • Laser-Plasma Beschleuniger (Wakefield Acceleration)
  • Neue Röntgenquellen
  • Neue Laserquellen für Wakefield Acceleration
  • medizinische Bildgebung basierend auf Röntgenfluoreszenz
  • Entwicklung mathematischer Auswertealgorithmen

Kooperationen

  • Prof. Dr. Samuel Huber (Morbus Crohn, UKE)
  • Prof. Dr. Wolfgang Parak (Nanopartikel und Zell-Labelling für Bildgebung, UHH)
  • Prof. Dr. Wim Leemans (laserbasierte Röntgenquellen, DESY)
  • Dr. Georg Korn (kompakte Röntgenquellen, ELI, CZ)
  • Prof. Dr. Christoph Hoeschen (medizinische Bildgebung, Uni Magdeburg)
  • Prof. Dr. Michael Kolbe und Prof. Dr. Stephan Günther (neues Projekt zu Covid19, HZI/CSSB, BNI)

Interessiert an

  • neue Therapieverfahren in der Medizin, z.B. Immuntherapie
  • neue Diagnostikmethoden in der Medizin, etwa wenn Immunzellen eine wichtige Rolle spielen
  • Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen sowie Diagnostikverfahren zur Messung von deren Wirksamkeit
  • Pharmakokinetik
  • Künstliche Intelligenz, um die Datenauswertung effektiver zu machen, da eine sehr große Menge an Daten erzeugt wird, die möglicherweise noch mehr Informationen enthalten als bisher vermutet
  • Fortgeschrittene 3D-Fertigungstechnologien, um bessere Modelle für die Validierung komplexer Simulationen zu produzieren
  • Maschinenbau, Feinmechanik und Mikrosystemtechnik, um lebensechte, sich bewegende Modelle mit künstlichen Blutkreisläufen zu erzeugen
  • Methoden und Modellrechnungen zu laborbasierter Astrophysik

Professor Grüner ist offen für die Zusammenarbeit mit allen, die an vielfältigen und vor allem neuartigen Anwendungsmöglichkeiten der Bildgebung mittels Röntgenfluoreszenz interessiert sind. Dies gilt disziplinübergreifend für verschiedene Anwendungen wie bspw. innerhalb der Medizintechnik oder auch in den Material- oder Ingenieurswissenschaften. Auch für den Austausch und die weitere Erforschung von Wakefield Acceleratoren steht Professor Grüner allen Disziplinen offen gegenüber.

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