Um lebende Zellen durch ein Mikroskop zu beobachten, wird eine Probe normalerweise auf einen Glasobjektträger gedrückt. Es liegt dann ruhig da und die Zellen sind beobachtbar. Der Nachteil ist, dass dies das Verhalten der Zellen einschränkt und nur zweidimensionale Bilder erzeugt.
Forscher der UiT The Arctic University of Norway und des University Hospital of North Norway (UNN) haben nun das Mikroskop der nächsten Generation entwickelt. Die neue Technologie kann Bilder von viel größeren Proben als zuvor machen, während man in einer natürlicheren Umgebung lebt und arbeitet.
Eine große Entwicklung
Die Technologie liefert 3D-Bilder, in denen Forscher die kleinsten Details aus mehreren Blickwinkeln klar und sichtbar untersuchen können, sortiert in verschiedene Schichten und alle Schichten im Fokus sind.
3D-Mikroskope gibt es bereits, aber sie arbeiten langsam und liefern schlechtere Ergebnisse. Die gebräuchlichste Art arbeitet, indem sie Pixel für Pixel in Serie aufnimmt, die dann zu einem 3D-Bild zusammengesetzt werden. Das braucht Zeit und oft schaffen sie nicht mehr als 1-5 Schüsse pro Minute. Es ist nicht sehr praktisch, wenn Sie etwas fotografieren wollen, das sich bewegt.
„Mit unserer Technologie schaffen wir etwa 100 Vollbilder pro Sekunde. Und wir glauben, dass es möglich ist, diese Zahl zu steigern. Genau das haben wir mit unserem Prototypen demonstriert“, sagt Florian Ströhl, Forscher am UiT.
Das neue Mikroskop ist ein sogenanntes Multifokus-Mikroskop, das völlig klare Bilder liefert, sortiert in verschiedene Schichten, bei denen Sie die Zellen aus allen Blickwinkeln untersuchen können.
„Das ist eine große Sache. Dass wir das alles in einem Take hinbekommen, ist eine enorme Entwicklung“, sagt Ströhl.
Kann hinter Objekte sehen
Ströhl erklärt, dass wir nicht über 3D in der Form sprechen, wie es die meisten von uns kennen. Während Sie in einem traditionellen 3D-Bild eine gewisse Tiefe wahrnehmen können, können Sie mit der neuen Technologie auch hinter Objekte sehen.
Ströhl verwendet ein Beispiel, bei dem Sie im Kino eine Dschungelszene in 3D sehen.
„In einem normalen 3D-Bild können Sie sehen, dass der Wald eine Tiefe hat, dass einige Blätter und Bäume näher sind als andere. Mit der gleichen Technologie, die in unserem neuen 3D-Mikroskop verwendet wird, können Sie auch den Tiger sehen, der sich hinter den Büschen versteckt.“ . Man kann mehrere Schichten unabhängig voneinander sehen und studieren“, sagt Ströhl.
Jetzt benutzt man kein Mikroskop, um im Dschungel nach Tigern zu suchen, aber für Forscher kann dies ein wichtiges Werkzeug sein, wenn es darum geht, bis ins kleinste Detail nach Antworten zu suchen.
Herzzellen untersuchen – während sie schlagen
Ströhl hat bei der Entwicklung dieser Technologie mit Forschern und Ärzten des Universitätskrankenhauses von Nordnorwegen (UNN) zusammengearbeitet.
Sie arbeiten unter anderem daran, bessere Behandlungsmethoden für verschiedene Herzerkrankungen zu verstehen und zu entwickeln.
Das Studium eines lebenden menschlichen Herzens ist eine Herausforderung, sowohl aus technischen als auch nicht zuletzt aus ethischen Gründen. Daher haben Forscher Stammzellen verwendet, die so manipuliert wurden, dass sie Herzzellen nachahmen. Auf diese Weise können sie organisches Gewebe züchten, das sich wie in einem menschlichen Herzen verhält, und sie können dieses Gewebe untersuchen und testen, um mehr darüber zu verstehen, was passiert.
Dieses Gewebe ist fast wie ein kleiner Klumpen lebendes Fleisch, etwa 1 cm groß. Dies führt zu einer sehr anspruchsvollen Testsituation, in der Herzzellen schlagen und sich ständig daran entlang bewegen, da die Probe zu groß ist, um sie mit herkömmlichen Mikroskopen zu untersuchen. Das neue Mikroskop kommt damit gut zurecht.
„Sie haben diesen pumpenden Fleischklumpen in einer Schüssel, von dem Sie Mikroskopaufnahmen machen möchten. Sie möchten die kleinsten Teile davon sehen, und Sie möchten eine superhohe Auflösung. Das haben wir mit dem neuen Mikroskop erreicht.“ sagt Ströhl.
Division Formel 1
Kenneth Bowitz Larsen leitet ein großes Labor mit fortschrittlichen Mikroskopen, die von allen Forschungsgruppen der Fakultät für Gesundheit der UiT verwendet werden. Er hat dieses neue Mikroskop getestet und ist optimistisch.
„Das Konzept ist brillant, das Mikroskop, das sie gebaut haben, macht Dinge, die kommerzielle Systeme nicht können“, erklärt Larsen. Das von ihm geleitete Labor verwendet hauptsächlich handelsübliche Mikroskope von Herstellern wie Zeiss, Nikon etc.
„Dann arbeiten wir auch mit Forschungsgruppen zusammen, wie sie Florian Ströhl vertritt. Sie bauen Mikroskope und testen optische Konzepte, sie sind sozusagen die Formel-1-Sparte der Mikroskopie“, sagt Larsen. Larsen hat großes Vertrauen in das neue Mikroskop, das Ströhl hat erstellt.
Die kommerziellen Mikroskope müssen für alle möglichen Proben verwendbar sein, während das von Ströhl entwickelte Mikroskop eher auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten ist.
„Es ist sehr lichtempfindlich und kann die Probe in verschiedenen Fokussen darstellen. Es kann sich durch die Probe arbeiten und man kann sowohl hoch als auch tief sehen. Und es passiert so schnell, dass es praktisch in Echtzeit gesehen werden kann. Es ist ein extrem schnelles Mikroskop“, sagt Larsen.
Laut Larsen zeigen die bisherigen Tests, dass dies gut funktioniert, und er glaubt, dass diese Art von Mikroskop letztendlich für alle Arten von Proben verwendet werden kann, bei denen man Lebewesen betrachtet, die sich bewegen.
Einen weiteren Vorteil sieht er in der Schnelligkeit dieses Mikroskops.
„Helles Licht ist nicht zellfreundlich. Da dieses Mikroskop so schnell ist, werden die Zellen viel kürzer und damit schonender beleuchtet“, erklärt er.
Die Technologie ist patentiert
Der Prototyp des Mikroskops funktioniert und ist betriebsbereit. Die Forscher arbeiten derzeit an einer verbesserten Version, die einfacher zu bedienen ist, damit mehr Menschen das Mikroskop bedienen und verwenden können.
Die Forscher haben ebenfalls ein Patent angemeldet und suchen zudem Industriepartner, die daraus ein käufliches Mikroskop entwickeln.
In der Zwischenzeit wird der Prototyp lokalen Partnern zur Verfügung gestellt, die von der neuen Technologie profitieren können.
„Wir werden es auch anderen in Norwegen anbieten, wenn sie besonders anspruchsvolle Proben haben, die sie untersuchen lassen wollen“, sagt Ströhl.
Die Forschung ist veröffentlicht in Optik.
Mehr Informationen:
Florian Ströhl et al, Multifokus-Mikroskopie mit optischer Schnittführung und hoher axialer Auflösung, Optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.468583
Bereitgestellt von UiT The Arctic University of Norway