Deutscher Zukunftspreis 2022 Lebendzell-Mikroskopie für Zukunftspreis nominiert

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Seit 1997 zeichnet der Bundespräsident herausragende technische Entwicklungen mit dem deutschen Zukunftspreis aus. Unter den drei nominierten Teams ist in diesem Jahr auch eine Gruppe von Zeiss-Entwicklern. Sie wurden für eine neuartige Mikroskopie von lebenden Zellen nominiert. Der Preis wird Ende Oktober vergeben.

Das Bundespräsidialamt gab am 14. September im Deutschen Museum in München die Nominierungen zum Deutschen Zukunftspreis bekannt. Unter anderen sind die Zeiss-Experten Dr. Thomas Kalkbrenner, Dr. Jörg Siebenmorgen und Ralf Wolleschensky sind für den Deutschen Zukunftspreis 2022 nominiert. Ihr Projekt: das neuartige Mikroskop Zeiss Lattice Lightsheet 7 für die schonende 3D-Abbildung lebender Zellen. Durch die Kombination aus probenschonender Bildgebung und hoher Auflösung können Forscher mit dem System subzelluläre Dynamiken in 3D über Stunden und Tage beobachten, was andere Mikroskopie-Techniken bisher nicht zuließen, heißt es in der Begründung. Das eröffnet neue Möglichkeiten beispielsweise für die Krebsforschung oder das Verständnis früher Entwicklungsstadien des Lebens.

Bereits erste Ergebnisse: Der lebenden Zelle auf der Spur

Zeiss Lattice Lightsheet 7 ermöglicht biomedizinischen Forschern erstmals, lebende Zellen über Stunden oder Tage hinweg in live und 3D zu beobachten. Sie untersuchen damit z. B., wie die Zellen auf bestimmte Wirkstoffe reagieren oder was geschieht, wenn Viren oder Bakterien in Zellen eindringen.

„Besonders bei Infektionskrankheiten muss am lebenden System untersucht werden, wenn man hier neue Erkenntnisse gewinnen will“, so Teamsprecher Kalkbrenner. Das Team hatte frühzeitig in der Entwicklung potenzielle Anwender eingebunden, die das System getestet und wertvollen Input gegeben haben. Eine Gruppe erforscht z. B. mit dem System den Malaria-Parasiten, der laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) weltweit jährlich knapp eine halbe Million Todesopfer fordert. Die Forschergruppe aus dem australischen Melbourne, die das System mit als eine der ersten eingesetzt haben, konnte den Prozess des Eindringens dieses nur ein Mikrometer großen Parasiten in eine lebende Blutzelle aufnehmen und erstmals verschiedene Stadien dieses superkomplexen Parasitenkreislaufs live und in 3D untersuchen.

Auch in der Krebsforschung haben Wissenschaftler mit Zeiss Lattice Lightsheet 7 bereits neue Erkenntnisse gewinnen können. Prof. Dr. Markus Sauer von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg forscht zu den Immuntherapien, die als Hoffnungsträger für bessere Überlebenschancen gelten. Dabei werden Patienten Abwehrzellen entnommen und so verändert, dass sie die Tumorzellen besser erkennen. Diese effektiveren CAR-T-Zellen werden den Erkrankten dann mittels Infusion wieder zugeführt. „Das genaue Verständnis der Wechselwirkung zwischen diesen CAR-T-Zellen und Tumorzellen ist für die Optimierung der personalisierten Immuntherapie hinsichtlich Effektivität und minimalen Nebenwirkungen von entscheidender Bedeutung“, so Sauer. „Hierbei kann insbesondere die einzelmolekülempfindliche Lattice-Lightsheet-Mikroskopie wichtige Beiträge leisten.“

Bisher problematisch: die Beleuchtung

Das Problem, mit dem Wissenschaftler bei der Untersuchung lebender Zellen mit Fluoreszenzmikroskopen bisher konfrontiert waren, liegt in der Beleuchtung: die Intensitäten der verwendeten Laserstrahlung sind um den Faktor 1000 und höher als die der Sonne. Diese intensive Beleuchtung kann lebende Zellen nachhaltig schädigen. Eine entscheidende Verringerung dieser Photoschädigung wird durch die sogenannte Lichtblattmikroskopie erreicht: Anders als bei allen anderen Mikroskopen wird dabei die Laserstrahlung – in Form eines Lichtblattes – nur in den Bereich eingebracht, der sich im Fokus des Objektivs befindet.

Während das für größere Organismen gut funktioniert, verhindern die Gesetze der Optik jedoch die Übertragung dieser Technologie auf die Zellbiologie. „Wir müssen den Laser auf besondere Art und Weise bändigen, damit Licht nur noch dorthin kommt, wo eine Forscherin oder ein Forscher auch hingucken will, ohne Zellen unnötig zu schädigen“, erklärt Kalkbrenner. „Dazu haben wir die Idee der Lattice Lightsheets von Nobelpreisträger Eric Betzig aufgegriffen und weiterentwickelt.“

Neue Optik: der schiefe Blick durchs Glas

Darüber hinaus musste das Team die Objektive völlig neu anordnen, da Zellen auf Deckgläsern in Kulturgefäßen wie Petrischalen und Multiwellplatten wachsen. Sie entwickelten eine völlig neuartige Mikroskop-Optik, mit der man schräg von unten durch die Probengefäße auf die darin befindliche Zelle schauen kann, ohne dass es zu Bildfehlern kommt. Insbesondere die für die Wirkstoffentwicklung, dem sogenannten „High Content Screening“, so wichtigen Multiwell-Plattenformate werden damit erstmals für ein Lichtblattmikroskop zugänglich. All das wurde zu einem einfach zu bedienenden, kompakten System mit hohem Automatisierungspotential entwickelt.

„Wir freuen uns sehr über die Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis. Sie stellt einen Leistungsbeweis der hohen Innovationskraft von Zeiss dar und spiegelt den Entwicklungsgeist und Mut zu innovativem Denken wider, der sich als verbindendes Element durch die Sparten der Zeiss Gruppe zieht“, so Dr. Jochen Peter, Mitglied des Vorstands der Zeiss Gruppe, und ergänzt: „Wissenschaftliche Durchbrüche gelingen insbesondere, wenn Unternehmen und Spitzenforschung vernetzt zusammenarbeiten, bei Zeiss ist die Verbindung zwischen Wissenschaft und Wirtschaft historisch gewachsen und fest in der Unternehmensstruktur verankert.“

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