Mikroskopieren in 3D

Und zwar auf der Basis eines herkömmlichen Lichtmikroskops. Forschung im Bereich der Zellbiologie ist ohne diese Geräte nicht denkbar, doch ihr Einsatz ist begrenzt durch eine relativ niedrige räumliche Auflösung.

Die neue 3D-SIM-Technik ermöglicht die Abbildung von Details im Kern einer Säugerzelle in 3D, mehrfarbig und in etwa zweifach erhöhter Auflösung als bei konventionellen Mikroskopen. "Gleichzeitig zu sehen waren genetisches Material, die umgebende Kernhülle und einzelne Kernporen", berichtet Leonhardt. "Manche Details können mit konventioneller Technik gar nicht oder nur mit Hilfe hochkomplexer Elektronenmikroskope abgebildet werden, während wir zelluläre Strukturen - und künftig möglicherweise sogar bewegte Prozesse - als 3D-Film aufnehmen."

Wissenschaftler versuchen seit langem, die Methoden zur Abbildung molekularer Strukturen mit den Vorteilen der Lichtmikroskopie, etwa der einfachen Handhabung, zu kombinieren - und zwar unterhalb des Abbe-Limits. "Eben dies ist nun gelungen", berichtet Leonhardt. "Wir erreichen eine zweifach erhöhte Auflösung von etwa 100 Nanometern. Die Grundlage unseres 3D-SIM-Verfahrens ist herkömmliche Lichtmikroskopie, allerdings mit einer besonderen Beleuchtungstechnik. Damit machen wir etwas, was man bei Lichtmikroskopen eigentlich tunlichst vermeiden sollten: Wir beleuchten strukturiert. Wir bestrahlen also unsere Proben, etwa eine Zelle, mit einem bekannten und sehr feinen Muster aus Licht. Das führt zu Interferenzen mit den Strukturen der Probe, die sich als Schattenmuster zeigen - und die man an sich vermeiden will." Eine ähnliche wellenförmige Interferenz ist in der Grafik als sogenannter Moiré-Effekt bekannt und entsteht etwa beim Einscannen von gedruckten Bildern. "Diese auf den ersten Blick störenden Interferenzmuster enthalten aber wertvolle Informationen", sagt Leonhardt. "Mit viel Mathematik und einem guten Computer können wir aus diesen Rohdaten kleinste Strukturen der Probe errechnen, die mit einem einfachen Lichtmikroskop nicht aufgelöst werden können."

Das Verfahren wird stufenweise in den verschiedenen Ebenen der Zelle mit unterschiedlichen Farben wiederholt. Aus den Daten wird schließlich im Computer ein mehrfarbiges, dreidimensionales Bild der Zelle mit besonders hoher Auflösung rekonstruiert. "Mit dieser Technik können zelluläre Strukturen abgebildet werden, die von konventionellen Lichtmikroskopen nicht erfasst werden", meint Leonhardt. "Dies ermöglicht eine ganz neue Art der Analyse in den Lebenswissenschaften: von der Grundlagenforschung bis zu den angewandten Fragestellungen."

Für die Forscher ergaben sich damit neue Einblick in den Kern einer Säugerzelle kurz vor der Teilung und damit vor einem kritischen Moment in deren Lebenszyklus. Denn dabei müssen die zwei Kopien des genetischen Materials peinlich genau auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. Fehler bei diesem sensiblen Vorgang können fatal sein: Der Tod der Zelle ist die vergleichsweise harmlose, die Entstehung von Krebs dagegen die sehr viel gefährlichere Konsequenz. Dank der neuen Technik konnten die Wissenschaftler die Kernhülle im Detail sehen. Dazu gehörten die Membran, die das ebenfalls zum Teil sichtbare genetische Material umschließt, sowie Kernporen, also Öffnungen und wichtige Transportwege in der Kernhülle.

„Langfristig wollen wir jetzt das Verfahren noch verbessern, um Prozesse in lebenden Zellen filmen zu können," so Leonhardt abschließend.

COMPAMED.de; Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München