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.

Diese Aufnahme des neuen Mikroskops zeigt eine lebende Knochenkrebszelle mit Zellkern (blau), Mitochondrien (grün) und Zytoskelett (magenta). (Foto: Universität Bielefeld/W. Hübner)

Diese Aufnahme des neuen Mikroskops zeigt eine lebende Knochenkrebszelle mit Zellkern (blau), Mitochondrien (grün) und Zytoskelett (magenta). (Foto: Universität Bielefeld/W. Hübner)

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.

Info, FSU JENA // Axel Burchardt

 

 

24.09.2019