Neue markerfreie Technik verschafft Einblicke in lebende Zellen

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JULABO GmbH

C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

DENIOS AG

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Neue Zelldimensionen

Die tomographische Rekonstruktion der Zelle ermöglicht es, Prozesse in Echtzeit bis auf subzellulärer Ebene aufzulösen. Schnittebenen durch die tomographische Rekonstruktion einer Nervenzelle (s. Abb. 3) erlauben bisher unbekannte Einblicke. Die experimentelle Rekonstruktion visualisiert die Morphologie des Zellsoma, sowie intrazelluläre, membrangebundene Organellen wie Vesikel, Mitochondrien, den Zellkern und den Golgi-Apparat.

Da vollständig auf Kontrast- oder Fluoreszenzfarbstoffe verzichtet werden kann, gibt es auch keine mögliche Verfälschung der Ergebnisse. Durch das Fehlen jeglicher Manipulations- oder Präparationsvorgänge, eröffnet MPN die Möglichkeit, Zellreaktionen und physiologische Aktivitäten vollkommen natürlich zu messen. Die Spezifität jeder Messung liegt dabei in den unterschiedlichen Brechungsindizes der Zellorganellen. Dank des extrem geringen Rauschpegels können die Brechungsindexvariationen mit hoher Präzision (Δn = ±0,007) bestimmt werden und ermöglichen die tomographische Rekonstruktion des Zellinneren mit „quantitativen“ Farben zu kennzeichnen (s. Abb. 3). Die hohe Auflösung macht die Zellbeobachtung dabei so realitätsgetreu wie nur möglich.

Genau dies ist eine der größten Herausforderung für jede Art von Mikroskopie oder Bildgebung. Eine Vielzahl zellulärer Prozesse wie komplexe Zelldifferenzierungen oder Mechanismen der aktivitätsabhängigen synaptischen Plastizität in Neuronen haben sich bisher der Erkenntnis entzogen. Dabei nehmen sie eine Schlüsselrolle beim Verständnis elementarer Prozesse wie Lernen und Gedächtnisstörungen ein.

Dynamische Biologie

Durch den Verzicht auf Farbstoffe und extrem kurze Belichtungszeiten ist die Marker-freie Phasen-Nanoskopie außerordentlich zell- und biologenfreundlich. Dank der niedrigen Laserleistung tritt keine Probenschädigung durch Licht oder Hitze auf. Lebende Zellen können somit über eine längere Zeit hinweg mit hoher Auflösung beobachtet werden.

Die Beobachtung neuronaler Aktivitäten ist ein guter Maßstab für das Potenzial dieses neuen Verfahrens. MPN demonstriert in einer aktuellen Studie [5] die Entstehung einer Synapse über einen Zeitraum von einer Stunde. Im zeitlichen Abstand von einer Minute wurden Bilder aufgenommen und zu einer Zeitrafferaufnahme des Wachstumsprozesses aus Einzelbildern zusammengesetzt. Mit einer lateralen Auflösung von weniger als 100 nm können dynamische Prozesse mittels dendritischer Dornen und inter-neuronaler Interaktionen in einem neuronalen Netzwerk studiert werden.

Schlussendlich eröffnet die Entwicklung von MPN viele neue Forschungsansätze beispielsweise ein besseres Verständnis der Wirkung pharmazeutischer Substanzen auf zellulärer Ebene. Diese neue Technologie kommerziell für jedermann zugänglich zu machen, ist das Ziel eines neuen Startup-Projekts an der EPFL: Nanolive.

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