14.04.2022 • PhotonikLaserBiophysik

Rotierendes blaues Laserlicht macht Dynamiken in lebenden Zellen sichtbar

Neues Laserscan-Mikroskop zeigt Vorgänge in Zellen, die sich auf der Skala von Millisekunden ändern.

In der Fluoreszenz­mikro­skopie werden biologische Zellen mit Fluoreszenz­farb­stoffen markiert und per Licht­schaltung in bestimmten Bereichen zum Leuchten gebracht. Allerdings ist dieses Leuchten für kleine, schnelle Objekte meist zu schwach oder erlischt nach einiger Zeit, was man Fluoreszenz­bleichung nennt. Mit einem neuen, im Labor für Bio- und Nano-Photonik der Uni Freiburg von Alexander Rohrbach entwickelten Ansatz haben er und sein Team einen Weg gefunden, kleinste Objekte ohne Fluoreszenz äußerst scharf sichtbar zu machen. Hierbei können zelluläre Strukturen oder viren­artige Partikel hundert- bis tausend­mal länger, zehn- bis hundert­mal schneller und mit nahezu doppelter Auflösung beobachtet werden als mit Fluoreszenz­mikro­skopie.

Abb.: Blaue Laser­strahlen rotieren unter ver­schie­denen Winkeln...
Abb.: Blaue Laser­strahlen rotieren unter ver­schie­denen Winkeln hundert­mal pro Sekunde um das Objekt (links). Das an den Zell­struk­turen ge­streute Licht er­zeugt so hun­dert super­auf­ge­löste Bilder pro Sekunde. Inner­halb einer Um­dre­hung er­zeugen kon­ti­nu­ier­lich de­for­mierte Licht­wellen das ge­stochen scharfe Bild einer Zelle aus reinem Laser­streu­licht, wie im Foto darunter zu er­ken­nen. (Bild: AG Rohr­bach, ALU Freiburg)

Die verwendete Technik heißt „Rotating Coherent Scattering“, kurz ROCS, und basiert auf einem blauen, schnell rotierenden Laserstrahl. „Wir nutzen hierbei mehrere bekannte physi­ka­lische Phänomene“, erklärt Rohrbach. „Erstens, dass kleine Objekte wie Moleküle, Viren oder Zell­strukturen blaues Licht am stärksten streuen.“ Zweitens wird bei ROCS ein blauer Laser sehr schräg auf die bio­logischen Objekte gerichtet, weil dies Kontrast und Auflösung deutlich erhöht. Drittens beleuchten die Wissen­schaftler das Objekt nach­ein­ander von allen Seiten mit dem schrägen Laserstrahl, weil nur eine Beleuchtungs­richtung alleine viele Artefakte erzeugen würde.

Die Wissenschaftler lassen den schrägen Laserstrahl hundertmal pro Sekunde um das Objekt rotieren und erzeugen so hundert Bilder pro Sekunde. „In zehn Minuten habe wir also bereits 60.000 Bilder von lebenden Zellen, welche sich viel dynamischer präsen­tieren als bisher angenommen“, sagt Rohrbach. Allerdings erfordern solche Dynamik­analysen von bereits nur einer Minute Bild­material enorme Rechen­leistungen von Computern. Hierbei mussten verschiedene Computer­algorithmen und Analyse­verfahren erst noch entwickelt werden, um die Daten richtig inter­pretieren zu können.

Zusammen mit seinem Team konnte Rohrbach die Leistungs­fähigkeit des Mikroskops an verschiedenen Zell­systemen demon­strieren. „Es war nicht unser primäres Ziel, schöne Bilder oder Filme von der unerwartet hohen Dynamik von Zellen zu erzeugen – wir wollten neue biologische Erkenntnisse gewinnen”, betont der Forscher. So konnte das Team konnte mit der ROCS-Technik erstmalig beobachten, wie stimulierte Mastzellen in nur wenigen Milli­sekunden kleine Poren öffnen, um kugel­artige Granulen mit hoher Kraft und Geschwin­digkeit heraus­zu­schießen. Die Granulen enthalten den Botenstoff Histamin, welcher später zu aller­gischen Reaktionen führen kann.

In einer anderen Experiment­serie konnten die Forscher beobachten, wie sich winzige, viren­artige Partikel in hohem Tempo um die zer­klüftete Oberfläche von Fresszellen bewegen, um nach einigen Versuchen einen Anbindungs­punkt an der Zelle zu finden. Diese Beobach­tungen dienten als Vor­versuche zu derzeit laufenden Studien zum Anbindungs­verhalten des Corona­virus.

Außerdem wurde die ROCS-Techno­logie eingesetzt, um Narben­bildung bei Herzmuskel­ver­letzungen zu unter­suchen. Fibro­blasten, Zellen des Narben­gewebes, bilden hundert Nanometer dünne Röhrchen aus. Durch die neue Technik konnten die Forscher zeigen, dass diese Nano-Tubes auf winzigen Skalen thermisch vibrieren, diese Bewegung aber mit der Zeit nachlässt. Nach mathe­matischen Aktivitäts­analysen lässt sich hier eine mechanische Versteifung der Nano-Tubes vermuten.

In weiteren Experi­menten konnten die Wissen­schaftler schließlich über viele tausend Bilder hinweg beobachten, wie Filopodien von Fresszellen in einer komplexen Zitter­bewegung ihre Umgebung nach Beute abtasten und sich ihr Zytoskelett in einem bisher nicht bekannten Tempo verändern kann.

ALU Freiburg / RK

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