Leuchtendes Straßennetz der Körperzellen

  • 07. November 2012

Ein neues Verfahren in der Fluoreszenzmikroskopie kann brownsche von gerichteter Bewegung unterscheiden.

Wenn Zellen in einem satten Grün leuchten, wurden sie wahrscheinlich für die Fluoreszenzmikroskopie eingefärbt. Die Methode ist etabliert – nun haben Wissenschaftler aus Illinois und Kalifornien sie noch einen Schritt fortentwickelt. Mit einem neuen Verfahren der Bildanalyse, das die Forscher „dispersion-relation fluorescence spectroscopy“ (DFS) nennen, konnten sie die Transportwege von fluoreszenz-markierten Molekülen in lebenden Zellen aufdecken. Vor allem ließ sich dabei automatisch zwischen zufälliger und gerichteter Bewegung unterscheiden.

Abb: Fluoreszenzbild einer Mäusezelle und die Auswertung durch Dispersionsrelations-Fluoreszenz-Spektroskopie (DFS). Dank des neu entwickelten Verfahrens lässt sich klar zwischen gerichteter Bewegung (schwarze Quadrate im Diagramm, ermittelt entlang Strecke θ1) und Diffusion (rote Kreise, ermittelt entlang θ2) unterscheiden. (Bild: R. Wang et al., Phys. Rev. Lett.)

Abb: Fluoreszenzbild einer Mäusezelle und die Auswertung durch Dispersionsrelations-Fluoreszenz-Spektroskopie (DFS). Dank des neu entwickelten Verfahrens lässt sich klar zwischen gerichteter Bewegung (schwarze Quadrate im Diagramm, ermittelt entlang Strecke θ1) und Diffusion (rote Kreise, ermittelt entlang θ2) unterscheiden. (Bild: R. Wang et al., Phys. Rev. Lett.)

Zunächst nahmen die Forscher den zeitlichen Verlauf mehrerer Bilder mit einem konventionellen Fluoreszenzmikroskop auf. Zu jedem Einzelbild erzeugten sie so dann eine Fourier-Transformation. Anschließend berechneten sie die zeitliche Bandbreite jeder räumlichen Frequenz und deren Mittelwert über die verschiedenen Raumrichtungen. So erhielten die Wissenschaftler die Dispersionsrelation der Teilchenbewegung. Und die zeigte an, ob es sich um gerichtete oder ziellose Bewegungen handelte. Der dabei ermittelte Diffusionskoeffizient stimmte zudem gut mit demjenigen überein, der sich aus der Bahnbetrachtung einzelner Partikel ergab. Der Hauptvorteil der automatischen Auswertung via DFS: Partikelbewegungen lassen sich über deutlich größere räumliche und zeitliche Bereiche verfolgen.

Die Wissenschaftler testeten ihre Methode an fluoreszenzmarkierten Polystyrolkügelchen in Lösung. Ein Teil wurde in Ruhe gelassen und führte daher nur ungerichtete, brownsche Bewegungen aus. Die zweite Probelösung versetzten die Forscher in einen gerichteten Fluss. Wurden die Fluoreszenzbilder per DFS ausgewertet, ließ sich zuverlässig zwischen diesen beiden Bewegungsarten unterscheiden.

Mit der Methode lässt sich auch herausfinden, auf welcher Größenskala die zufällige in eine gerichtete Bewegung übergeht. Gabriel Popescu, Koautor der Studie, vergleicht diese Einblicke damit, vom Mond aus auf die Schnellstraßen Nordamerikas zu schauen und zu versuchen, den Verkehr zu verstehen. Die Anwendung in lebenden Zellen glückte den Forschern ebenfalls. In embryonalen Mäusezellen zeigte sich dabei die gerichtete Bewegung deutlich in Längsrichtung der im Bindegewebe vorkommenden Fibroblasten.

Laura Hennemann

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