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Deutscher Zukunftspreis: Schonende Mikroskopie für lebende Zellen

Sales space: 26.10.2022 20:15 Uhr

Mit der Lichtblatt-Mikroskopie lassen sich lebende Zellen beobachten – ohne diese zu schädigen. So lassen sich etwa Krebstherapien voranbringen. Für die Technik erhielten Forscher aus Jena nun den Zukunftspreis.

Von Hellmuth Nordwig, Deutschlandfunk

Seit langem versuchen Forschende, mikroskopisch kleine Strukturen in Zellen mit Fluoreszenzfarbstoffen anzufärben. Sind die Zellen bereits tot, ist das kein Drawback. Aber wenn sie weiterleben sollen, ist das nicht so einfach. Denn um Fluoreszenzstrahlung zu erzeugen, braucht man Laserlicht, und das tötet Zellen ab.

Anfang der 2000er-Jahre entwickelten Wissenschaftler als Ausweg die sogenannte Lichtblatt-Mikroskopie: Das Laserlicht wird nicht frontal in die Probe eingestrahlt, sondern senkrecht zur Richtung, die das Mikroskop betrachtet. Und es wird so stark fokussiert, dass es nur eine Schicht der Probe beleuchtet, das sogenannte Lichtblatt. Diese Schicht warfare anfangs einige Mikrometer dünn, das entspricht etwa dem Durchmesser einer Zelle. Der Relaxation der Probe wird nicht bestrahlt und dadurch geschont.

Nur ein Streifen wird beleuchtet

“Das ist der Hauptvorteil von der Technik: Dass die Probe die Bildgebung überlebt und dadurch auch am Ende lebend aus dem Mikroskop rauskommt und weiter leben kann”, sagte im Jahr 2019 einer der Pioniere der Methode, Jan Huisken, im Deutschlandfunk. Er beobachtete damals mit der Methode zum Beispiel die Entwicklung des Herzens beim heranwachsenden Zebrafisch. Im Lichtblatt-Mikroskop konnte er direkt sehen, wann der erste Herzschlag eintritt – am lebenden Objekt.

Doch die Forschung wollte noch weiter, berichtet Thomas Kalkbrenner von der Firma Carl Zeiss Mikroskopie in Jena. “Das kam bisher nur bei größeren Proben – Modellorganismen wie Zebrafisch oder Fruchtfliege – zum Einsatz. Wir wollten das für die Zellbiologie erschließen. Und das heißt: Die Lichtblätter müssen sehr dünn werden, damit die Auflösung sehr hoch wird.”

Das Gerät ist nicht besonders groß, kann aber außergewöhnliche Aufnahmen machen.

Bild: ZEISS

Grenzen der Optik

Doch da stieß das Forschungsteam bei Zeiss an Grenzen: Wenn nämlich der Laserstrahl, der die Lichtblätter erzeugt, noch schärfer fokussiert wird als zuvor, dann wird er zu kurz für das Lichtblatt-Mikroskop. Das geben die Gesetze der Optik vor. “Um dieses Drawback zu überwinden, braucht es besondere Strahlformen. Das sind die Gitter-Lichtblätter. Da überlisten wir die klassische Optik und sorgen dafür, dass die Lichtblätter dünn und gleichzeitig sehr lang sind.”

Eine weitere Herausforderung: Biologen lassen Zellen auf Glas-Oberflächen wachsen. Die kann man zwar intestine von unten beleuchten, aber eben nicht seitlich, wie das bei der Lichtblatt-Mikroskopie gemacht wird, erklärt der Physiker Ralf Wolleschensky aus dem Zeiss-Staff: “Dann müssen wir die Anordnung verkippen und schräg durch den Glasboden schauen. Und das führt zu sehr starken Bildfehlern. Die sind so stark, dass keine Abbildung mehr möglich ist. Und deshalb mussten wir am Ende eine völlig neuartige Optik für diesen Zweck entwickeln.”

Technik vereinfacht

Technisch warfare all das sehr anspruchsvoll für die Forscher von Zeiss, zu denen als Dritter im Bunde Jörg Siebenmorgen zählt. Doch mittlerweile verfügt die Entwicklung, die vom Deutsche Patentamt für den Zukunftspreis vorgeschlagen wurde, auch über kommerzielles Potenzial. Denn zugleich mit der optischen Verbesserung konnte die Handhabung entscheidend vereinfacht werden. Bisher warfare in den Labors viel Eigenbau bei den Lichtblatt-Mikroskopie-Systemen nötig. It’s brauchte einen Physiker zum Justieren und eine Informatikerin zur Auswertung.

Jetzt gibt is sozusagen ein Gerät von der Stange. “Es ist einen halben Meter auf einen halben Meter von den Abmessungen her, etwa 40 Zentimeter hoch und passt auf jeden Labortisch”, sagt Kalkbrenner. “Es gibt natürlich noch etwas Peripherie: ein Lasermodul, mit dem die Laserstrahlung bereitgestellt wird. Es gibt natürlich ein Computersystem für die Ansteuerung und die Verrechnung. Aber es ist für ein Highend-Fluoreszenzmikroskop ein relativ kompaktes System geworden.”

Hilfe bei Erforschung von Malaria-Parasiten…

Von dem sind weltweit mittlerweile rund 30 Geräte verkauft worden – für einen stolzen Preis, wie Ralf Wolleschensky sagt. “Da reden wir schon über ein intestine ausgestattetes Einfamilienhaus.” Doch das Spezialmikroskop kann so tief in lebende Zellen hineinblicken wie kein anderes. Und hilft ganz konkret Forschern auf der ganzen Welt: So konnte beispielsweise die Arbeitsgruppe um Ethan Goddard-Borger in Melbourne damit die Entwicklung des Malariaparasiten im Element verfolgen.

Kalkbrenner ergänzt: “So konnte das Staff vom sehr komplexen Lebenszyklus des Parasiten, der ja verschiedenste Entwicklungsstadien vom Menschen über den Moskito zurück in den Menschen hat, einige Schlüsselstellen erstmals in lebenden menschlichen Blutzellen beobachten. Und dieurch auch bestizieren Proteine Voraussetzung sind. Das sind mögliche Ansatzpunkte für eine Therapie.”

… und in der Krebstherapie

Ein zweites Beispiel stammt von der Universität Würzburg, wo eines von drei Highend-Fluoreszenzmikroskopen in Deutschland steht. Markus Sauer erforscht damit an der fränkischen Hochschule eine Immuntherapie gegen Krebs. Er konnte aufklären, wie der Kontakt zwischen einer Abwehrzelle und dem Tumor genau zu Stande kommt.

Auch das bietet Potenzial für eine zielgerichtetere Behandlung. Man darf gespannt sein, was die Weiterentwicklung der Lichtblatt-Mikroskopie noch über lebende Zellen offenbart.

Fluoreszenz-Mikroskopie an lebenden Zellen

Hellmuth Nordwig, DLF, 10/26/2022 7:34 PM

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