3D-Mikroskopie: Laser dreht Proben kontaktfrei

Hochempfindliche Proben unter dem Mikroskop ohne Berührung in alle Richtungen zu drehen, war bislang technisch kaum umzusetzen. Ein laserbasiertes Verfahren, mit dem sich mikroskopisch kleine Objekte wie Zellen kontaktlos in alle drei Raumrichtungen drehen lassen, haben nun Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt. Der Laser erzeugt kleinste Temperaturunterschiede im Flüssigkeitsmedium, die sanfte Strömungen auslösen und so die Probe bewegen. Das schützt empfindliche Proben und liefert genauere 3D-Bilder – ein wichtiger Schritt für die medizinische Grundlagenforschung.

Grafik: Der Laser dreht empfindliche Zellproben unter dem Mikroskop kontaktfrei.

Quelle: Fan Nan, KIT

Wollen Medizinerinnen und Mediziner etwa menschliche Krebszellen untersuchen, liefern moderne Mikroskope zwar extrem scharfe Bilder in einer Ebene – vergleichbar mit einem Foto. In der Tiefe sind die Abbildungen jedoch oft ungenau. Um dem abzuhelfen, müssen Proben aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen und die Einzelbilder zu einem 3D-Modell zusammengesetzt werden. Dafür müssen Untersuchungsobjekte gedreht werden. Das neue Verfahren der Forschenden des KIT ermöglicht diese Drehung auf vollkommen schonende Weise.

Das Team um Moritz Kreysing und Fan Nan vom Institut für Biologische und Chemische Systeme des KIT nutzt einen Laser, um die Flüssigkeit, in der die Probe schwimmt, punktuell zu erwärmen. Dadurch entstehen feine Strömungen, mit denen freischwebende mikroskopische Objekte gezielt bewegt werden können – ganz ohne mechanische Mikro-Werkzeuge wie winzige Pipetten, Nadeln oder Greifer. „Wir manipulieren die Probe nicht direkt“, sagt Nan. „Stattdessen steuern wir die Bewegung der umgebenden Flüssigkeit so, dass sich das Objekt von selbst ausrichtet.“ Zwar waren lasergetriebene Strömungen bereits bekannt, aber nur für Bewegungen in einer Ebene. Nun sind auch kontrollierte Drehungen im Raum möglich: Durch schnelles Abtasten mit dem Laser entsteht eine schraubenförmige Strömung, die Objekte sanft rotieren lässt.

Durch die dreidimensionale Kontrolle lassen sich Zellstrukturen besser aus verschiedenen Blickwinkeln erfassen. „Wenn sich Proben genauer ausrichten lassen, sehen wir mehr Details“, sagt Kreysing. „Das ist eine zentrale Voraussetzung, um biologische Strukturen und Prozesse besser zu verstehen.“ Langfristig könnte die Methode auch für kontaktfreie Mikromanipulation, mikroskopische Robotik oder präzise Fertigung im Kleinstmaßstab relevant werden, so Kreysing. [KIT / dre]