Forscher erreichen hochauflösende Hochgeschwindigkeitsbilder mit einem großen Sichtfeld

Forscher haben ein Fluoreszenzmikroskop entwickelt, das strukturierte Beleuchtung für schnelle hochauflösende Bilder über ein großes Sichtfeld nutzt. Das neue Mikroskop wurde entwickelt, um mehrere lebende Zellen gleichzeitig mit einer sehr hohen Auflösung abzubilden, um die Auswirkungen verschiedener Medikamente und Medikamentenmischungen auf den Körper zu untersuchen.

„Polypharmazie – die Wirkung der vielen Medikamentenkombinationen, die typischerweise chronisch Kranken oder älteren Menschen verschrieben werden – kann zu gefährlichen Wechselwirkungen führen und wird zu einem großen Problem“, sagte Henning Ortkrass von der Universität Bielefeld in Deutschland. „Wir haben dieses Mikroskop im Rahmen des EIC Pathfinder OpenProject DeLIVERy entwickelt, dessen Ziel die Entwicklung einer Plattform ist, mit der Polypharmazie bei einzelnen Patienten untersucht werden kann.“

Im Tagebuch Optik-Expressbeschreiben die Forscher ihr neues Mikroskop, das die Übertragung von Anregungslicht über optische Fasern nutzt, um eine sehr hohe Bildqualität über ein sehr großes Sichtfeld mit Mehrfarben- und Hochgeschwindigkeitsfähigkeit zu ermöglichen. Sie zeigen, dass das Instrument zur Abbildung von Leberzellen verwendet werden kann und dabei ein Sichtfeld von bis zu 150 x 150 μm2 und Bildraten von bis zu 44 Hz bei gleichzeitiger Beibehaltung einer räumlich-zeitlichen Auflösung von weniger als 100 nm erreicht.

„Mit diesem neuen Mikroskop können einzelne Medikamentenkombinationen an isolierten Zellen getestet und dann mit Superauflösung abgebildet werden, um die Dynamik von Zellmembranmerkmalen oder Organellen zu beobachten“, sagte Ortkrass. „Das große Sichtfeld kann statistische Informationen über die Zellreaktion liefern, die zur Verbesserung der personalisierten Gesundheitsversorgung genutzt werden könnten. Dank der potenziell geringen Größe des Systems könnte es auch für klinische Anwendungen nützlich sein, bei denen eine hohe Auflösung wichtig ist.“

Hohe Auflösung über ein großes Sichtfeld

Das neue Mikroskop basiert auf der superaufgelösten strukturierten Beleuchtungsmikroskopie (SR-SIM), die ein strukturiertes Lichtmuster verwendet, um Fluoreszenz in einer Probe anzuregen und eine räumliche Auflösung zu erreichen, die über die Beugungsgrenze des Lichts hinausgeht. SR-SIM eignet sich besonders gut für die Bildgebung lebender Zellen, da es eine Anregung mit geringer Leistung verwendet, die die Probe nicht schädigt und gleichzeitig hochdetaillierte Bilder erzeugt.

Um eine hohe Auflösung über ein weites Sichtfeld zu erreichen, rekonstruiert das neue Mikroskop hochaufgelöste Bilder aus einer Reihe von Rohbildern. Diese Rohbilder werden mithilfe eines Satzes von sechs optischen Fasern erfasst, um die Probe mit einem sinusförmigen Streifenmuster zu beleuchten, das verschoben und gedreht wird, um zusätzliche Informationen zu gewinnen. Dies führt zu einer zweifachen Verbesserung der Auflösung und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle Bildgebung und die Kompatibilität mit der Bildgebung lebender Zellen.

„Die Faserauswahl und Phasenverschiebung erfolgt mithilfe eines neu entwickelten Faserschalters, der auf galvanometrischen Spiegeln und MEMS-Spiegeln basiert“, sagte Ortkrass. „Wir haben außerdem einen sechseckigen Halter speziell entwickelt, der die Strahlen der sechs Fasern im Mikroskop kollimiert und neu fokussiert, um ein großes Sichtfeld zu beleuchten und eine präzise Einstellung aller Strahlen zu ermöglichen. Dadurch kann der Aufbau für die Fluoreszenzanregung durch Totalreflexion (TIRF) verwendet werden.“ )-SIM, das verwendet wird, um die Fluoreszenzanregung und -detektion auf einen dünnen Bereich der Probe zu beschränken.“

Bildgebung von Leberzellen

Da die Leber das wichtigste am Arzneimittelstoffwechsel beteiligte Organ ist, testeten die Forscher den Aufbau anhand von Proben fixierter, mehrfarbig gefärbter Rattenleberzellen. Die mit dem neuen Mikroskop rekonstruierten Bilder ermöglichten die Visualisierung der winzigen Membranstrukturen, die kleiner als die Beugungsgrenze des Lichts sind.

„Dieses kompakte System kombiniert auf einzigartige Weise ein großes Sichtfeld und eine schnelle Musterwechselgeschwindigkeit mit mehrfarbiger, energieeffizienter Anregung“, sagte Ortkrass. „Darüber hinaus erreicht das Setup eine sehr hohe Bildqualität und kann auf die Durchführung von 2D-SIM oder TIRF-SIM abgestimmt werden.“

Als nächstes planen die Forscher, den Mikroskopieaufbau auf Lebendzellstudien von Leberzellen anzuwenden, um die Dynamik von Zellen zu beobachten, die mit mehreren Medikamenten behandelt werden. Sie planen außerdem, den Bildrekonstruktionsprozess zu verbessern, um eine Live-Rekonstruktion der erfassten Rohdaten zu ermöglichen.