Fundamentales Verständnis für tiefe Einblicke in den Mikrokosmos

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Von Live-Cell-Imaging bis Superauflösung

In der Fluoreszenzmikroskopie lebender Zellen, Gewebe oder Organismen waren phototoxische und Ausbleicheffekte bzw. die daraus resultierenden Informationsverluste ein zentrales Problem der Anwender, das es zu lösen galt. Je länger Forscher lebende Objekte unter möglichst physiologischen Bedingungen beobachten können, desto höher der Informationsgehalt, will man Einblicke in die Prozesse lebender Zellen und Organismen gewinnen. Imaging-Systeme, die diese Lichtbelastung auf ein Minimum reduzieren, waren somit gefragt. Lichtblattfluoreszenzmikroskope mit dem aktuellsten Vertreter Zeiss Lightsheet Z.1, teilen die Fluoreszenzanregung und -detektion in zwei separate Lichtwege, wobei die Beleuchtungsachse senkrecht auf der Detektionsachse steht. So wird jeweils nur ein einzelner, dünner Bereich der Probe beleuchtet. Die Systeme erlauben es, optische Schnitte großer Proben schonend, d.h. mit geringer Lichtbelastung und dabei hoher zeitlicher Auflösung durchzuführen. Mit den aktuellen Systemen lassen sich lebende Objekte über Tage hinweg in 3D und aus verschiedenen Blickwinkeln verfolgen.

Daneben stand natürlich immer das große Thema Auflösung: Das Abbesche Auflösungslimit schien höhere Auflösungen im Bereich der Lichtmikroskopie zu verhindern. Eric Betzig und Kollegen gelang es schließlich im Jahr 2006 mit der Photoactivated Localization Microscopy (PALM), auf Basis des lichtgesteuerten Ein- und Ausschaltens von Fluoreszenz in einzelnen Molekülen, das Abbesche Auflösungslimit zu umgehen und um ca. Faktor 10 unter die magische Grenze von 200 nm zu gelangen. Seine Arbeit zur superauflösenden Mikroskopie wurde im Jahr 2014 zusammen mit der von Stefan W. Hell und William E. Moerner mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt. Zeiss erwarb die Exklusivlizenz für PALM. Das Mikroskopsystem Elyra PS.1 ermöglicht mit dieser Technologie die Einzelmoleküllokalisation.

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Alle diese Entwicklungen waren ab den 1990er Jahren begleitet von einer zunehmenden und heute in vielen Bereichen vollständigen Digitalisierung. Mikroskope wurden zu Imaging-Arbeitsstationen mit vollkommen neuen Möglichkeiten der Bildaufnahme, Datenverarbeitung und Datenspeicherung.

Aufbruch in die Zukunft

Das neue Jahrtausend ist geprägt von Nanotechnologie und einer sich rasant entwickelnden Computer- und Speichertechnik. Neue Elektronen- und Ionenmikroskopiesysteme erlauben mit bisher unerreichter Auflösung und Datenqualität neue Einblicke in diesen sich immer weiter öffnenden Kosmos. Verbunden auch mit Funktionen, die über das reine Imaging hinausgehen. Rasterelektronenmikroskope mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB-SEM), beispielsweise Zeiss Cross­beam, erlauben die Strukturierung neuer Oberflächen und Nanomaterialien, mit zahlreichen Anwendungen in Bereichen wie Halbleiter, Elektronik oder E-Mobilität.

Heutige Mikroskopiesysteme erzeugen in immer kürzerer Zeit, immer mehr Daten – in 3D und 4D. Bildaufnahme und Bildverarbeitung werden hochgradig parallelisiert, deutlich höhere Durchsätze erreicht. Neueste Technologien wie die Airyscan-Technik für Zeiss LSM 800 beziehungsweise LSM 880 ermöglichen zudem höchste Aufnahme- und Scangeschwindigkeiten.

Meilenstein Mikroskopie

Zeiss setzt auf intuitive Bedienung komplexer Mikroskopsysteme

Der Trend hin zur Automatisierten Mikroskopie auch für die Routine-Anwendung ist dabei ungebrochen – ein Trend, den Zeiss aktuell mit dem neuesten Modell eines so genannten „Box-Mikroskopes“, dem Zeiss Celldiscoverer 7, adressiert (s. Abb. 4 und Infografik LP 5/2017). Das System erreicht einen sehr hohen Automatisierungsgrad, ohne dass der Benutzer auf die Bildqualität und Flexibilität eines traditionellen, inversen Forschungsmikroskops für die Lebendzellmikroskopie verzichten muss.

Neue Technologien in der Licht-, Elektronen-/Ionen- und Röntgenmikroskopie ermöglichen dabei immer detailliertere Einblicke. Die Lücken zwischen diesen mikroskopischen Techniken zu schließen bzw. sie sinnvoll miteinander zu verknüpfen, wird in den kommenden Jahren Aufgabe der korrelativen Mikroskopie sein, die sich seit einigen Jahren als aufkommender Trend abzeichnet. Über strukturelle Korrelationen, die Suche nach Strukturen in verschiedenen Längenskalen – gewissermaßen die Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen – deutlich zu beschleunigen oder über funktionelle Korrelationen bestimmten Strukturen spezifische Funktionen zuweisen zu können, wird die Forschung weiter vorantreiben und sicherlich wiederum Grenzen verschieben.

Vielleicht hatte Ernst Abbe bereits einige dieser Entwicklungen im Sinn, als er einst meinte: „Abgesehen von ihrem Namen werden die Mikroskope der Zukunft nicht mehr viele Dinge mit den heutigen gemeinsam haben“.

* Dr. I. Ottleben: Redaktion LABORPRAXIS, E-Mail ilka.ottleben@vogel.de

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