Revolutionäre Mikroskopie enthüllt beispiellose zelluläre Details in Echtzeit

• Wissenschaftler entwickeln ein neues Mikroskop, das die subzelluläre Dynamik in mehrzelligen Organismen abbilden kann. 
• Dazu haben sie Gitterlichtblattmikroskopie und Techniken der adaptiven Optik kombiniert. 
• Sie konnten das Verhalten von Organellen bei ihrer Formung innerhalb von Zellen in Echtzeit beobachten. 

Im Jahr 1665 untersuchte Robert Hooke mit einem Mikroskop ein kleines Stück Kork und entdeckte kleine Blöcke, die er „Zellen“ nannte. Seitdem wurden unzählige Anstrengungen von vielen innovativen Köpfen unternommen, um einen besseren Blick auf diese Bausteine des Lebens zu ermöglichen.

Jetzt haben Forscher der Harvard Medical School und des Howard Hughes Medical Institute ein fortschrittliches Mikroskop entwickelt, das außergewöhnliche Details erfassen kann, darunter 3D-Bilder und Videos einer lebenden Zelle.

Die Auflösung des Mikroskops ist in der Lage, die subzelluläre Dynamik in mehrzelligen Organismen abzubilden, beispielsweise die Dynamik von Vesikeln (mikroskopisch kleinen Blasen), die molekulare Ladung über Zellen transportieren.

Herausforderungen

Seit mehr als drei Jahrhunderten nutzen Forscher Mikroskope zur Beobachtung von Zellen. Bisher wurden die besten Visualisierungen mit auf Glasobjektträgern isolierten Zellen erzielt. Die Beobachtung von Zellen in mehrzelligen Organismen in Echtzeit ist jedoch nach wie vor eine viel komplexere Aufgabe.

Meistens sind Zielzellen von molekularen Strukturen oder Geweben umgeben, die den Lichtstrahl stören, der von einem Mikroskopobjektiv aus eindringt und zu ihm zurückkehrt, wodurch die entscheidenden Details verwischt werden. Die Verwendung eines starken Strahls ist keine perfekte Lösung, da er Gewebe und andere molekulare Strukturen teilweise beschädigen/verzerren könnte.

Wie haben sie das gemacht?

Um diese Probleme zu lösen, kombinierten die Forscher zwei Techniken –

1. Gitterlichtblattmikroskopie Dies erhöht die Geschwindigkeit der Bildaufnahme und reduziert gleichzeitig die durch Phototoxizität verursachte Zellschädigung.
2. Adaptive Optik Dadurch werden die eingehenden Wellenfrontverzerrungen durch die aktive Formung eines Spiegels reduziert. Es wird im Allgemeinen in astronomischen Teleskopen verwendet.

Bei der Gitterlichtblattmikroskopie wird ein strukturiertes Lichtblatt verwendet, um Fluoreszenz in den aufeinanderfolgenden Ebenen einer Probe anzuregen. Dadurch entsteht eine Abfolge von 3D-Bildern, die Einblicke in dynamische biologische Prozesse geben.

Adaptive Optik hingegen funktioniert durch die Analyse der Wellenfrontverzerrungen und deren Kompensation mit einem Instrument, das diese Fehler behebt, etwa einem Flüssigkristall-Array oder einem verformbaren Spiegel.

Vereinfachtes Mikroskopschema | Mit freundlicher Genehmigung von Forschern

Sie wandten diese Prinzipien im Bereich der Mikroskopie mit Hilfe eines Zwei-Photonen-Lasers an, der einen adaptiven Optikaufbau erzeugt. Während die Gitterlichtfolie in einen vielzelligen Organismus eindringt, sorgt dieser Aufbau dafür, dass die dünne Beleuchtung der Folie erhalten bleibt und verzerrungsfreie Bilder der Zielzellen erzeugt werden.

Referenz:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaq1392 | Harvard University 

Anschließend validierten sie dieses Mikroskop an verschiedenen biologischen Proben und entwickelten wesentliche Werkzeuge, die die Informationen auf effektive Weise visualisieren. Dazu gehören vollständig interaktive 3D-Videos.

Ergebnisse

Krebszelle | Bildnachweis:Rick Groleau und Kevin Jiang

Wie Sie vielleicht schon erraten haben, waren die Ergebnisse sehr beeindruckend. Auf dem Bild ist deutlich zu sehen, wie sich eine Krebszelle [grün dargestellt] ihren Weg durch die Blutgefäßwand [lila] bahnt. Das Bild unten zeigt Zellen eines Zebrafischauges in 3D.

Zellen des Zebrafischauges | Bildnachweis: Liu et al.

Forscher konnten (in Echtzeit) das Verhalten von Organellen visualisieren, während sie sich innerhalb von Zellen formen. Tatsächlich erfassten sie die nahezu molekularen Details der rezeptorvermittelten Endozytose – eines Prozesses, bei dem Zellen Hormone, Metaboliten und andere Proteine absorbieren.

Was kommt als nächstes?



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Forscher arbeiten nun daran, diese Technologie einfacher und kostengünstiger zu machen. Das aktuelle System passt in einen 3 Meter langen Tisch. Die nächste Version wäre kompakt und erschwinglich. Darüber hinaus wird das erste Mikroskop auf dem Janelia Research Campus installiert, wo es auch von anderen Wissenschaftlern genutzt werden kann.