Leuchtende Blutkörperchen

Über die stimulierte Emission bei Hämoglobin eröffnet sich ein neuer, mikroskopischer Blick in Blutgefäße.

Wenn Moleküle nach einer Anregung mit einem Laserpuls fluoreszieren, können sie Bilder von Zellen mit hoher Auflösung liefern. Diese etablierte Methode der Fluoreszenzmikroskopie konnte nun von einer Forschergruppe an der Harvard University in Cambridge deutlich erweitert werden. Sie schafften es, über eine stimulierte Emission nicht nur fluoreszierende Substanzen, sondern auch normale Farbstoffe wie beispielsweise das rote Hämoglobin zum Leuchten zu bringen.

Viele Farbstoffe wie Hämoglobin absorbieren Licht, ihre Fluoreszenz ist jedoch nicht nachweisbar. Denn nach einer Anregung mit Laserlicht wird die eingestrahlte Energie größtenteils in Wärme umgewandelt. Um nun doch verwertbare Lichtsignale von diesen Farbstoffe zu erhalten, schickten die Forscher um Xiouliang Sunney Xie vom Department of Chemistry and Chemical Biology zwei Laserpulse kurz hintereinander auf die Moleküle. Dieses Pump-Probe-Prinzip wandten sie erfolgreich bei einer Reihe nicht fluoreszierender Farbstoffe einschließlich Hämoglobin an.

Voraussetzung für diese stimulierte Emission von Lichtteilchen ist die exakte Abstimmung der beiden 200 Femtosekunden kurzen Laserblitze aufeinander. Der erste Lichtpuls mit einer Wellenlänge von 590 Nanometern versetzt das Farbstoff-Molekül in einen angeregten Zustand. Danach trifft der zweite Lichtpuls mit einer rotverschobenen Wellenlänge von 660 Nanometern um den Bruchteil einer Picosekunde verzögert auf das Molekül. Dabei kommt es zu der stimulierten Aussendung eines Lichtteilchens mit etwa der gleichen Wellenlänge wie die des zweiten Laserblitzes. Nach der Emission befindet sich das Farbstoffmolekül wieder in seinem Grundzustand.

An den extrem feinen Blutgefäßen eines Mausohrs demonstrierten Xie und Kollegen das hohe Auflösungsvermögen, das über die stimulierte Emission des Blutfarbstoffs Hämoglobin erreicht werden konnte. Deutlich ließen sich auf den Mikroskopbildern einzelne Blutzellen innerhalb der nur fünf Mikrometer weiten Blutbahn klar erkennen. Über die Fokussierung der anregenden Laserpulse in unterschiedliche Tiefen des Testgewebes ließen sich sogar räumliche Bilddaten mit dieser Methode gewinnen.

Aufbauend auf diesen viel versprechenden Ergebnissen lockt eine neue Mikroskopie-Methode für Mikrobiologen, Zell- oder Krebsforscher. Ganz ohne Fluoreszenz-Marker, die bislang an Zellen angedockt werden mussten, eröffnet sich ein dreidimensionaler Blick in Blutgefäße und auf Zellkulturen. Zudem ließe sich die Ausbreitung von Arzneistoffen im Körper über die stimulierten Emission ausgewählter Farbstoffe verfolgen. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass nur wenige Jahre bis zur Marktreife solcher Laser-Mikroskope vergehen werden.

Jan Oliver Löfken

• Kommentar: Stefan W. Hell und Eva Rittweger Light from the dark. Nature 461, 1069 (2009)
  http://www.nature.com/nature/journal/v461/n7267/full/4611069a.html
   
• Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University:
  http://www.chem.harvard.edu/

• Arbeitsgruppe Xiaoliang Sunney Xie:
  http://bernstein.harvard.edu/

Weiterführende Literatur: 

• S. W. Hell: Toward fluorescence nanoscopy. Nature Biotechnol. 21, 1347–1355 (2003)
  http://dx.doi.org/10.1038/nbt895
   
• C. W. Freudiger, et al.: Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy. Science 322, 1857–1861 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1165758
   
• C. Y. Dong, P. T. C. So, C. Buehler, E. Gratton: Spatial resolution in scanning pump-probe fluorescence microscopy. Optik 106, 7–14 (1997)
  ISSN 0030-4026

KP