Hochauflösende Mikroskopie deutlich beschleunigt

Aufnahmen des neuen Mikroskops: Der Computerbildschirm und die Mikroskopbilder (rechts) zeigen eine Knochen­krebs­zelle mit Mitochondrien (blau) und endoplasmatischem Retikulum (rosa). /Universität Bielefeld, W. Hübner

Bielefeld – Forschende der Universität Bielefeld haben gemeinsam mit Partnern aus Jena das superauflösende Mikroskopieren deutlich beschleunigt und damit praxistauglicher gemacht. Sie konnten zeigen, dass das Verfahren namens SR-SIM in Echtzeit sowie mit einer sehr hohen Bildfrequenz möglich und damit geeignet ist, um zum Beispiel Bewe­gun­gen von sehr kleinen Zellpartikeln zu beobachten. Ihre Ergebnisse sind in Nature Communications erschienen (2019; doi: 10.1038/s41467-019-12165-x).

SR-SIM steht für „super-resolved structured illumination microscopy“ und ist ein fluores­zenzmikroskopisches Verfahren. Hierbei werden Objekte mit Laserlicht bestrahlt. Dieses Licht regt besondere fluoreszierende Moleküle in der Probe an, sodass sie Licht in einer anderen Wellenlänge wieder abstrahlen. Die mikroskopische Aufnahme zeigt das abge­strahlte Licht.

„Im Unterschied zu herkömmlichen fluoreszenzmikroskopischen Verfahren werden die Präparate bei SR-SIM jedoch nicht gleichmäßig, sondern über ein feines, gitterförmiges Muster beleuchtet. Diese spezielle Technik ermöglicht die viel höhere Auflösung“, erläu­tert Thomas Huser, der die Arbeitsgruppe Biomolekulare Physik an der Universität Biele­feld leitet.

Das vom Präparat abgestrahlte Licht wurde bislang zunächst in mehreren Einzelbildern aufgenommen. Aus diesen Rohdaten hat ein Computer im Anschluss das fertige Bild re­kons­truiert. „Vor allem der 2. Schritt hat bisher sehr viel Zeit gekostet“, sagte der Erstautor der Studie, Andreas Markwirth, ebenfalls von der Arbeitsgruppe Biomolekulare Physik.

Wir konnten ungefähr 60 Einzelbilder pro Sekunde erzeugen – das ist eine höhere Bildfrequenz als bei Kinofilmen. Andreas Markwirth, Universität Bielefeld

Die Wissenschaftler haben daher zusammen mit Rainer Heintzmann vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien sowie der Friedrich-Schiller-Universität in Jena daran gear­beitet, das Verfahren schneller zu machen. Das Mikroskop ist nun so ausgelegt, dass die Rohdaten schneller erzeugt werden. Zudem nimmt auch die Bildrekonstruktion dank des Einsatzes von Parallelrechner-Verfahren auf modernen Grafikkarten deutlich weniger Zeit in Anspruch.

„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“, so Markwirth. Erst dadurch würde diese Art von Mikroskopie für die Anwendung in der Biologie oder Medizin auch wirklich nützlich, ergänzte Huser.

Der Physiker Ernst Abbe hatte 1873 herausgefunden, dass die Auflösung eines optischen Systems für sichtbares Licht auf etwa 250 Nanometer begrenzt ist. In den vergangenen Jahren wurden jedoch mehrere optische Verfahren entwickelt, um die Abbe’sche Auflö­sungs­grenze zu unterschreiten.

Für die Entwicklung einer Superauflösung im Bereich von etwa 20 bis 30 Nanometer er­hiel­ten die US-Amerikaner William Moerner und Eric Betzig sowie der Deutsche Stefan Hell 2014 den Nobelpreis für Chemie. © hil/aerzteblatt.de