Suchen

MIKROSKOPIE & BILDANALYSE Dem Leben ein Stückchen näher

| Autor/ Redakteur: Eugen Wehner* / LP-Redaktion

Auf der Suche nach den Grundlagen des Lebens begegnet der Wissenschaftler immer wieder der Zelle. Ihre autonomen Funktionen aber auch die Einbindung in den Organismus sind hochkomplexen Vorgängen unterworfen, deren Umfang die heutige Breite der biologischen Forschung erklärt.

Firmen zum Thema

Abb.1: Die drei unterschiedlichen Stativtypen von Axio Observer: Das manuelle Stativ Axio Observer.A1 (links), das halbmotorisierte Stativ Axio Observer.D1 und das vollmotorisierte Stativ Axio Observer.Z1 (rechts).
Abb.1: Die drei unterschiedlichen Stativtypen von Axio Observer: Das manuelle Stativ Axio Observer.A1 (links), das halbmotorisierte Stativ Axio Observer.D1 und das vollmotorisierte Stativ Axio Observer.Z1 (rechts).
( Archiv: Vogel Business Media )

Auf der Suche nach den Grundlagen des Lebens begegnet der Wissenschaftler immer wieder der Zelle. Ihre autonomen Funktionen aber auch die Einbindung in den Organismus sind hochkomplexen Vorgängen unterworfen, deren Umfang die heutige Breite der biologischen Forschung erklärt.

Heute steht nicht die pure Beschreibung, sondern das Verständnis im Vordergrund der biologischen Forschung. Ein hoher Anspruch. Selbst die Genomprojekte, die ursprünglich mit viel Euphorie befrachtet waren, konnten nur Bruchteile der Erwartungen erfüllen. Tatsächlich ist die Summe der Fragen noch gewaltig gestiegen. Das Zusammenspiel der Gene und aller Moleküle in der Zelle ist komplizierter als man jemals ahnte.

Bildergalerie

Im Mittelpunkt der Zellforschung steht heute das Live-Cell-Imaging, die mikroskopische Betrachtung lebender Zellen auf hohem Niveau. In der Regel verwendet man hierbei immortalisierte Zelllinien oder Stammzellen, die sich in Kulturschalen befinden. Mehr und mehr kommt auch die Betrachtung von Zellen in Gewebeverbänden zum Tragen.

In solcher Aufbau kommt dem Organismus näher, sodass sich Ergebnisse leichter übertragen lassen. Obwohl sich die Ansätze oft erheblich unterscheiden, wird die Zelle als autonome Einheit und gleichzeitig als Spiegel für die Vorgänge im Gesamtorganismus betrachtet. Beim Live-Cell-Imaging sind Beobachtung, Manipulation und Analyse typische Stationen, die auf dem Weg zu neuen Erklärungen bzw. Erkenntnissen liegen. Hier sind optimale Vorgaben essenziell. Carl Zeiss hat es sich zur Aufgabe gemacht, mit dem neuen Mikroskop Axio Observer und spezifischen Systemkomponenten Gesamtlösungen anzubieten. Diese sollen den Wissenschaftler an allen Stationen begleiten und ihm durch eine Fülle von Vorteilen den entscheidenden Vorsprung vermitteln.

Bedingungen für die Beobachtung

Gleich welchen Ansatz man vorfindet, artefaktfreie mikroskopische Beobachtung ist nur möglich, wenn die Umweltparameter für die Zellen stimmen. Temperatur, pH-Wert und O2-Konzentration sind hierfür zu regeln. Gerade bei Langzeitexperimenten ist absolute Präzision gefragt.

So sorgt ein Temperatursensor, der direkt in der Kultivierungsschale platzierbar ist, für reproduzierbare Temperaturbedingungen. Dieser teilt die tatsächliche Temperatur am Ort der Beobachtung mit. Vermutungen und schwer zu interpretierende Daten gehören damit der Vergangenheit an. Zusätzlich gibt es für den Axio Observer spezielle thermisch isolierte Objektive, die den Temperaturfluss in den Objektivrevolver verhindern. Die Zieltemperatur wird somit gehalten.

Neben der Temperatur ist der pH-Wert ein entscheidender Parameter. Dieser wird über die CO2-Konzentration auf Basis eines Puffersystems geregelt. Aber auch die Sauerstoffkonzentration muss bedacht werden, da Zellen empfindlich auf eine veränderte Umgebung reagieren. Ziel ist es, exakt die Bedingungen einzustellen, die direkt am Ursprungsort der Zelle im Organismus vorliegen. Je nach Zelltyp sind sogar unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen nötig.

Den hohen Anforderungen zur Regelung dieser Parameter ist das System Axio Observer von Carl Zeiss optimal gewachsen. Die Regelung der Inkubationsbedingungen ist vollautomatisch und - durch ein intelligentes Stapel- und Aufrüstkonzept der Regelmodule - in ihrer Leistungsfähigkeit gesteigert. Dieses Gesamtkonzept zur Zellbeobachtung ist in Verbindung mit Axio Observer umgesetzt worden.

Um bei Langzeitbeobachtungen die Belastung der Zellen durch das Anregungslicht möglichst gering zu halten, ist Axio Observer mit dem ultraschnellen, langlebigen und vibrationsarmen Shutter ausgestattet. Dieser ist getriggert durch die Kamera. So ist die Zelle dem Anregungslicht nur dann ausgesetzt, wenn es auch tatsächlich nötig ist. Spezielle HE (high efficiency) Filtersätze für die Fluoreszenz wirken unterstützend und sorgen für bis zu 50 Prozent kürzere Belichtungszeiten.

Antworten durch Manipulation

Beobachten ist nur eine Dimension. Oft sind neue Einblicke nur über eine direkte Kommunikation mit der Zelle möglich. Die Zelle wird gezwungen zu antworten. Auch hier sind die Ansätze sehr unterschiedlich und waren bisher häufig unzureichend. Fragen zur Proteinfaltung z.B. werden molekulargenetisch oft über temperatursensitive Faltmutanten geklärt.

Im Experiment werden die permissive und restriktive Temperatur vorgegeben. Die Zelle antwortet bei der restriktiven Temperatur über Bildung eines Proteins, das anders gefaltet ist und z.B. inaktiv wird. Heatshock-Experimente verlaufen von der Durchführung her ähnlich. Es werden induzierte Vorgänge und deren exaktes Zusammenspiel erforscht. Bei beiden Ansätzen werden verschiedene Temperaturen eingesetzt, die mit Axio Observer einfach über automatische Temperaturstufen, die zuvor programmiert und abgespeichert werden, einstellbar sind.

Etwas anspruchsvoller verlaufen Laserexperimente. Vielfach kann man hier von einer neuen Dimension der Living-Colors sprechen. Diese werden z.B. bei FRAP spezifisch gebleicht. Auf Basis der Art und Weise wie die Fluoreszenzsignale sich regenerieren unterscheidet der Wissenschaftler z.B. zwischen freier Diffusion, aktiven Transportvorgängen oder behinderter Diffusion aufgrund von Membranen. Auch ist es möglich, zelluläre Proteine oder Fluorophore über einen Laser in die aktive Form zu bringen (Uncaging). Handelt es sich hierbei um Enzyme, ist eine ganze Prozesskette in der Zelle zu einem gewünschten Zeitpunkt vor Ort aktivierbar.

Ebenso gibt es Ansätze, die über einen „Surgical Laser“ Zellstrukturen gezielt zerstören, um nachher die Regeneration zu studieren. Wichtig bei all diesen Vorgängen ist das simultane Monitoring mit Fluoreszenz oder Durchlicht. Axio Observer ist über den neuen Laserport für alle Laserapplikationen offen und kommt hierbei ohne Erweiterung des Unendlichkeitraums aus. Somit sind Einbußen hinsichtlich der optischen Qualität ausgeschlossen.

Eine andere Art der Manipulation ist die künstliche Ortsveränderung der Zelle. Laser-Tweezers erlauben es, Zellen zu isolieren oder auch gezielt zusammenzuführen. Letzteres wird z.B. in der In-vitro-Fertilisation eingesetzt. Mikrodissektion und Laser-Catapulting ermöglichen die hochreine Isolation von Organellen, Zellen oder auch gesamter Organismen. In einem zweiten Schritt wird für z.B. nachfolgende genetische Analysen neu kultiviert. Das Palm Micro-Beam-System verfügt über all diese Optionen und ist einfach an Axio Observer adaptierbar. Simultane Beobachtung über Standardfluoreszenz ist nur eine der Zusatzoptionen.

Aufarbeitung der Rohdaten

Die Kondensation gewonnener Rohdaten auf das Wesentliche ist bei diesen komplexen Prozessen essenziell. Nur so können Inhalte sinnvoll interpretiert werden und zum entscheidenden wissenschaftlichen Fortschritt führen. Das System Axio Observer erlaubt dies auf unterschiedliche Weise. Egal ob es die Speicherung der Umweltdaten in AxioVision direkt bei den Bilddaten für noch mehr Sicherheit ist oder die Kalkulation von Emissionsintensitäten bei Ratio-Experimenten während des Experimentes oder last, but not least die Reihe anspruchsvoller Downstream-Module in AxioVision. Letztere wie Dekonvolution, Unmixing, Kolokalisation bis hin zur Detektion von Bildbereichen, in denen Bewegung stattfindet, sind Optionen für spezielle Fragestellungen und runden das Komplettpaket AxioVision mit einem breiten Anwendungsspektrum ab.

Das System Axio Observer

Auf allen Ebenen erwartet man vom Mikroskop und vom System höchste Leistungsfähigkeit. Gesamtlösungen, die diese Ansprüche effektiv bedienen, sind mehr denn je gefragt. Exakt hierauf ist das System Axio Observer ausgerichtet. Fragestellungen der Wissenschaftler können nun wesentlich schneller beantwortet werden.

Axio Observer bietet im Zentrum des Gesamtsystems viele neue Funktionen. Wesentliche Optimierungen bei den Kontrastverfahren sind eine neue DIC-Qualität mit deutlich homogenerem Hintergrund, der apochromatische Fluoreszenzstrahlengang mit homogener Anregung in der Fluoreszenz für bessere Kontrastierung in der Peripherie des Sehfeldes und der variable Phasenkontrast, der negativen und positiven Phasenkontrast in einem Objektiv vereint.

Alle Optimierungen stehen für das Stück mehr an Information, das heute entscheidend sein kann. Abgerundet werden die Verbesserungen durch ein komplett neues Bedienkonzept, das auf allen Ebenen greift. So sieht es z.B. verschiedene motorisierte Blenden in der Fluoreszenz vor, einen sechsfach Reflektorrevolver der ohne Demontage bestückbar ist und AKE (automatische Komponentenerkennung) für mehr Sicherheit und Bedienkomfort. Neu ist auch das Touchscreen-TFT-Display für die komplette Bedienung des Axio Observer; wahlweise als Dockingstation und somit direkt am PC positionierbar. Die drei unterschiedlichen Stativtypen von Axio Observer A1, D1 und Z1 decken die komplette Bandbreite der möglichen Applikationen ab.

Um die Flexibilität zu gewährleisten, ist das System einfach auf- und umrüstbar, denn die Anforderungen an den individuellen Arbeitsplatz ändern sich schnell. Hohe Qualitätsansprüche wurden bei der Auswahl externer Komponenten verwirklicht. Charakteristisch ist z.B. das schnell aufrüstbare TIRF-System mit raumsparendem Schieber, der Cell Observer in der Version HS (Highspeed) für die Beobachtung schneller Bewegungen (z.B. Vesikeltransport) oder anspruchsvolle konfokale Optionen wie das neue LSM Duo für die Detektion der spektralen Signatur in jedem Bildpunkt und schnelle Anwendungen mit einem System.

Nicht zuletzt steht Carl Zeiss auch mit Axio Observer in der Verpflichtung, die mit Carl Zeiss Fluores-Science vor Jahren schon einen Namen bekommen hat. Nämlich für Fluoreszenz-Anwendungen mit optimalem Kontrast und unter Ausschöpfung aller technischen Möglichkeiten, führende Mikroskopsysteme für angewandte Forschung und Grundlagenforschung zur Verfügung zu stellen. Einfach ein Stück näher an der Zelle und damit am Leben.

*Dr. E. Wehner, Carl Zeiss MicroImaging GmbH, 37030 Göttingen

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 190929)