Eine lebende Knochenkrebszelle mit Zellkern (blau), Mitochondrien (grün) und Zytoskelett (magenta).

HD-Mikroskopie in Millisekunden

Forschungsteam verbessert superauflösende Mikroskopie
Eine lebende Knochenkrebszelle mit Zellkern (blau), Mitochondrien (grün) und Zytoskelett (magenta).
Foto: W. Hübner/Uni Bielefeld
  • Light

Meldung vom: 23. September 2019, 01:00 Uhr | Verfasser/in: Axel Burchardt | Zur Original-Meldung

Sie können winzige Zellstrukturen sichtbar machen: Modernste Licht­mikroskope bieten Auflösungen von wenigen zehn Nanometern – also dem Millionstel eines Millimeters. Bisher waren superauflösende Mikroskopien allerdings deutlich lang­samer als herkömmliche Verfahren, da mehr oder feinere Bilddaten aufgenommen werden mussten. Ein Forschungsteam der Universitäten Bielefeld, des Leibniz-Instituts für Pho­tonische Tech­nologien und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun das super­auflösende Verfah­ren SR-SIM weiterentwickelt. Die Ergebnisse sind jetzt im Fachmagazin „Nature Communica­tions“ veröffentlicht worden. Die Wissenschaft­le­rinnen und Wissen­schaftler zeigen, dass SR-SIM mit einer sehr hohen Bildfrequenz auch in Echtzeit durch­geführt und angezeigt werden kann – und damit geeignet ist, um zum Beispiel Bewegun­gen von sehr kleinen Zellpartikeln direkt zu beobachten.

Erst dadurch wird diese Art von Mikroskopie für die Anwendung in der Biologie oder Medizin auch wirklich nützlich. Denn das Problem ist bisher: Mikroskope, die eine ausreichend hohe Auflösung bieten, können Informationen nicht in der entsprechenden Geschwindigkeit dar­stel­len“, sagt Prof. Dr. Thomas Huser von der Universität Bielefeld.

SR-SIM, zu dem der Jenaer Mikroskopie-Experte Prof. Dr. Rainer Heintzmann 1998 die Grund­lagen legte, steht für „super-resolved structured illumination microscopy“ und ist ein fluores­zenzmikroskopisches Verfahren. Hierbei werden Objekte mit einem feinen Muster aus Laser­licht bestrahlt. Dieses Licht regt besondere, fluoreszierende Moleküle in der Probe an, so dass sie Licht in einer anderen Wellenlänge wieder abstrahlen. „Die Überlagerung dieses fei­nen Musters mit feinsten Probendetails ergibt interessanterweise grobe Muster, die das her­kömmliche Mikroskop auflösen kann: ein Effekt, den man unter dem Namen ,moiré effekt‘ täglich an fein gewebtem Stoff sehen kann, wenn er z. B. als Vorhang sich mit sich selbst überlagert. Um jedoch die feinen Details der Probe genau zu rekonstruieren, sind aufwendige Computer-Rekonstruk­tionen notwendig“, so Heintzmann.

Das aufwendige Verfahren beschleunigt

Das Verfahren verläuft in zwei Schritten: Das vom Präparat abgestrahlte Licht wird zunächst in mehreren Einzelbildern aufgenommen. Aus diesen Rohdaten wird im Anschluss das fertige Bild auf einem Computer rekonstruiert. Die Bielefelder Forschenden, allen voran der Erstautor der Studie Andreas Markwirth, haben daher zusammen mit Prof. Dr. Rainer Heintzmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien d­aran gearbeitet, das Verfahren – basierend auf dem Jenaer Design – schneller zu machen. Das Mikroskop ist nun so ausgelegt, dass die schnell erzeugten Rohdaten dank des Ein­sat­zes von Parallelrechner-Verfahren auf modernen Grafikkarten direkt „live“ verrechnet und ange­zeigt werden können. Der Benutzer merkt also in der Benutzung kaum den Unterschied zu einem herkömmlichen Fluoreszenz-Mikroskop, erhält aber jetzt direkt „live“ eine etwa doppelt so hohe Auflösung.

Für seine Studie hat das Team das neue Verfahren an biologischen Zellen getestet und die Bewegungen von Mitochondrien, den etwa ein Mikrometer kleinen Zellkraftwerken, aufge­zeich­net. „Wir konnten ungefähr 60 Einzelbilder pro Sekunde erzeugen – das ist eine höhere Bildfrequenz als bei Kinofilmen. Zwischen Messung und Bild liegen weniger als 250 Millise­kunden, daher erlaubt die Technik Echtzeitaufnahmen“, sagt Markwirth.

Bisher werden oft superauflösende und herkömmliche Verfahren kombiniert: Ein herkömm­liches schnelles Mikroskop wird genutzt, um Strukturen zunächst zu finden. Danach können diese Strukturen über ein superauflösendes Mikroskop im Detail untersucht werden. „Man­che Strukturen sind aber so klein, dass sie mit herkömmlichen Mikroskopen gar nicht erst gefunden werden können, zum Beispiel spezielle Poren in Leberzellen. Unser Verfahren ist sowohl hochauflösend als auch schnell – das ermöglicht Biologinnen und Biologen, solche Strukturen zu erforschen“, sagt Huser. Eine andere Anwendung für das neue Mikroskop ist die Untersuchung von Virenpartikeln auf ihrem Weg durch die Zelle. „So können wir nachvoll­ziehen, was bei Infektionsprozessen genau passiert“, so Huser.

Original-Publikation:
Andreas Markwirth, Mario Lachetta, Viola Mönkemöller, Rainer Heintzmann, Wolfgang Hübner, Thomas Huser, Marcel Müller: Video-Rate Multi-Color Structured Illumination Microscopy with Simultaneous Real-Time Reconstruction. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-12165-x, erschienen am 20. September 2019. https://rdcu.be/bRvuu

Kontakt:

Rainer Heintzmann, Univ.-Prof. Dr.
Telefon
+49 3641 9-48350
Fax
+49 3641 9-48302
Raum E016
Helmholtzweg 4
07743 Jena
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