Interview: Neues Mikroskopiesystem erlaubt bessere Zelluntersuchungen

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

LABORPRAXIS: Am Fraunhofer IPT konnten Sie die Anzahl der Messungen und somit den erforderlichen Zeitaufwand deutlich reduzieren. Wie haben Sie das geschafft?

Stürwald: Zunächst haben wir ein aufrechtes, als auch ein inverses Mikroskop mit je zwei separaten Modulen ausgestattet: eines für die holographische optische Pinzette und ein zweites für einen digitalholographischen Phasenkontrast. Die holographischen Pinzetten erlauben dabei eine Erzeugung von multiplen und zeitlich als auch räumlich variablen, komplexen Intensitätsverteilungen bzw. Intensitätsfoki im Bereich der Fokusebene des Mikroskopobjektives zur angepassten Ausübung von Kräften im Nano- und Piko-Newton-Bereich auf mehrere Zellen gleichzeitig. Durch geschickte Kombination von Intensitäten im Fokusbereich sind dabei neben dem Greifen auch Rotationen von mikroskopischen Objekten möglich. Insgesamt ermöglicht dieses Modul dem Biologen ein möglichst flexibles Greifen, Separieren und Bewegen von Zellen sowie deren Teilung oder sogar Tötung. Das Modul für die minimal invasive, digitalholographische Mikroskopie (DHM) erlaubt dabei neben einem quantitativen Phasenkontrast, also einer dreidimensionalen Darstellung von teiltransparenten Objekten, auch die numerische, nachträgliche Fokussierung in verschiedene Schärfeebenen des Mikroskopobjektives. Dies ermöglicht unscharfe Aufnahmen zu refokussieren als auch mehrere Schärfebenen gleichzeitig ohne signifikanten Informationsverlust zu beobachten. Insbesondere bei Langzeitexperimenten an biologischen Zellen kann diese Methode auch das Driften kompensieren. Die Neuerung besteht in der effizienten Kopplung beider Verfahren, welche zu relativ hohen Zeiteinsparungen führen kann.

LABORPRAXIS: Welche neuen Untersuchungsmöglichkeiten ergeben sich hieraus?

Stürwald: Häufig erfordern Untersuchungen an Wirkstoffen auf biologische Zellen einen definierten Abstand, damit der Einflussradius der Zellen und deren Interaktion kontrolliert werden kann. Größen- bzw. Volumenänderungen sind dabei ein weiterer wertvoller Kennparameter für Langzeituntersuchungen. Mittels DHM erfolgt daher z.B. bei Zelluntersuchungen die Bestimmung des Zellvolumens aller Zellen sowie deren axiale Höhe in der Nähe des Schärfentiefebereiches eines Mikroskopobjektives und es können somit für die Untersuchungen automatisiert Zellen gewünschter Größe in vorher definierten Abständen oder Mustern platziert werden. Eine sonst übliche manuelle Steuerung und Platzierung der Zellen entfällt dabei. Insbesondere die Bestimmung der genauen axialen Höhe von Objekten ist für das Greifen und Arrangieren der Zellen mittels der holographischen Pinzetten eine notwendige Voraussetzung, was durch andere Verfahren in dieser schnellen und flächendeckenden Form so nicht möglich ist. Daneben erlaubt unser System auch die Zellteilung und Tötung von Zellen.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Stürwald.

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Zur Person: Stephan Stürwald

2002-2004 Physikstudium an der Universität Münster; 2004-2005 Physikstudium an der Université d’Orsay, Paris/Frankreich; 2005-2008 Studium an der Universität Münster (Physik, Mathematik, Wirtschaftslehre und MIEBU); 2006-2007 Diplomarbeit am Laboratorium für Biophysik am Universitätsklinikum Münster (Thema: Holographische Mikroskopie an Zellkulturen mit LEDs); seit 8/2008 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen, seit 10/2010 Gruppenleiter in der Abteilung Mikro- und Nanometrologie;

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