Technologie

Lebende Zellen untersuchen

22.05.2020 - Faserlaser-Mikroskop funktioniert auch ohne Leuchtstoff-Markierung.

Wenn Forscher untersuchen, wie sich Tumore entwickeln oder wie Arzneien auf verschiedene Zell­arten wirken, müssen sie erfassen, wie die Moleküle im Inneren der Zellen reagieren und inter­agieren. Möglich ist das mit modernen Laser­mikroskopen. Doch bislang müssen Moleküle in den Zellproben durch Leuchtstoffe markiert werden, um sie sichtbar zu machen. Das kann das Verhalten der Moleküle verfälschen. Forschungs­gruppen der Universitäten Bielefeld und Hongkong haben gemeinsam ein Nano-Laser­mikroskop entwickelt, das ohne Markierung der Moleküle auskommt. 
 

Sie entwickelten dafür eigens kompakte Faserlaser statt der bisher üblichen Fest­körper­laser. Das neue Mikroskop arbeitet rausch­ärmer als bisherige Entwicklungen und käme auch für die Nutzung in Operationsräumen in Frage. „In der biomedizinischen Forschung ist mikro­skopische Bild­gebung ohne den Einsatz von Markern ein hochaktuelles Thema“, sagt der Biophysiker Thomas Huser von der Arbeits­gruppe Biomolekulare Photonik der Universität Bielefeld. Sein Team hat für die Entwicklung des Faserlaser-Mikroskops mit der Arbeitsgruppe von Kenneth K.Y. Wong von der Universität Hongkong zusammen­gearbeitet.

„Für lebende Proben ist die Anfärbung mit fluoreszent leuchtenden Markern meistens ungeeignet“, sagt Huser. „Markerfreie Mikroskopie wird zum Beispiel gebraucht, um zu untersuchen, wie aus Stammzellen verschiedene neue Zelltypen entstehen. Auch lässt sich damit die Abgrenzung eines Tumors gegenüber normalem Gewebe ohne Anfärbung erkennen. Und wir können erfassen, wie medizinische Wirkstoffe mit den Molekülen in Herzmuskel-, Leber- und anderen Zellen reagieren.“ 

Faserlaser wurden in den vergangenen Jahren immer wieder für den Einsatz in optischen Nano­mikroskopen erprobt. In ihnen wird das Licht durch Glasfasern geleitet, statt durch einen Festkörper aus Kristall oder Glas. „In Mikroskopen waren die Faserlaser bisher den Fest­körper­lasern aber unterlegen, weil sie weniger leistungs­stark waren und die Intensität sehr verrauscht war“, erklärt Huser. Um in ihrem Mikroskop molekül­spezifische Abbildungen zu erzielen, verwenden die Wissenschaftler nicht einen, sondern zwei synchronisierte optische Resonatoren. Aus ihnen treffen die Laserstrahlen auf die zu untersuchende Probe. Die beiden Laser senden ihre Strahlen in kurzen Pulsen von Piko­sekunden aus. „Eine Heraus­forderung war, die beiden Laser so zu steuern, dass die Strahlen genau gleichzeitig durch eine Linse auf die Probe treffen“, sagt Thomas Huser.

Ein großer Vorteil des neuen Faserlaser-Mikroskops sei, dass es einfacher zu bedienen ist als ein Mikroskop mit Fest­körper­lasern, sagt Cihang Kong, Mitarbeiterin von Huser und eine der Erstautoren der Studie zu dem neuen Verfahren. „Es ist weniger störungs­anfällig und die Probe muss nicht so aufwändig vorbereitet werden wie bei anderen Mikroskopen, weil vorab keine Moleküle markiert werden müssen.“ Die Prototypen des Mikroskops sollen jetzt als Basis dienen, um portable Geräte zu bauen. „Diese Kompakt­mikroskope könnten dann auch im Operations­saal benutzt werden, zum Beispiel um die Grenzen von Tumoren während der Operation sichtbar zu machen“, sagt Cihang Kong.

Um sicherzustellen, dass sich das Faserlaser-Mikroskop problemlos nachbauen lässt, arbeiten die Forscher jeweils in Bielefeld und Hongkong an einem Prototyp des Geräts. Die Kooperation der beiden Forschungs­gruppen wurde vom Deutschen Akademischen Austausch­dienst und dem Research Grants Council in Hongkong gefördert und wird derzeit im EU-Projekt „Deliver“ fortgeführt. „Das hat uns ermöglicht, unser Wissen auszutauschen – wir konnten für mehrere Monate im Labor in Hongkong forschen, und Kollegen aus Hongkong konnten uns vor Ort in Bielefeld unterstützen“, sagt Christian Pilger aus Husers Arbeits­gruppe und ebenfalls ein Erstautor der Studie.

„Die neue Technologie bringt für viele biomedizinische Anwendungen Vorteile“, sagt Kenneth Wong, Leiter der Forschungs­gruppe in Hongkong. „Die frühzeitige Erkennung von Tumoren ist dabei nur ein herausragendes Beispiel.“ Der Forschungs­erfolg sei ein Ergebnis der langjährigen Zusammenarbeit der Universitäten Bielefeld und Hongkong, sagt Wong. „Die Erforschung von Biomedizin- und Gesundheits­technologie verbindet unsere beiden Universitäten, insbesondere wenn es um bildgebende Verfahren geht.“

Thomas Huser sieht eine gute Chance, dass das neue Mikroskop in den kommenden Jahren in klinischen Untersuchungen eingesetzt wird. „Erste Studien sind bereits in Kooperation mit dem Evangelischen Klinikum Bielefeld angelaufen, um mit dem Gerät Gewebeproben aus der Leber zu untersuchen. Die Projekt­partner waren überrascht, welche Möglichkeiten das neue Mikroskop bietet.“

U. Bielefeld / DE
 

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