Forschern des IMP gelang es in Kollaboration mit der TU Wien, ein neues Mikroskopie-Verfahren zu entwickeln. Dieses erlaubt es, mit nur einer einzigen Messung und somit ohne Scan-Vorgang ein dreidimensionales Bild der untersuchten Probe zu erzeugen. Die neue Lichtmikroskopie-Technik beruht darauf, dass Positionsinformation in Farbinformation des Lichtspektrums umgewandelt und gemessen wird. Das innovative Verfahren mit großem Anwendungs-Potenzial wird diese Woche online in PNAS veröffentlicht.
Für viele Studien im Bereich der Naturwissenschaften ist es wichtig, ein stark vergrößertes und möglichst genaues Abbild einer zu untersuchenden Probe – beispielsweise einer Zelle – zu erhalten. Um kleinste Strukturen oder Objekte zu analysieren, werden heute je nach Fragestellung und Probenaufbereitung verschiedene Mikroskopie-Verfahren eingesetzt. Ein Schwachpunkt vieler gängiger Techniken ist die Notwendigkeit, eine Probe etliche Male scannen zu müssen, um ein Bild mit Tiefenwirkung zu erzeugen. Vor allem für empfindliche und dynamische Proben ist dies ein Problem. Katrin Heinze und Kareem Elsayad, federführende Wissenschaftler der PNAS-Publikation, gelang es im Rahmen ihrer Arbeit am IMP, diese Schwierigkeit zu umgehen.
Präzise Bilder empfindlicher und dynamischer Proben
Zur mikroskopischen Analyse fixierter oder lebender Zellen bediente sich Elsayad einer speziellen Form der Lichtmikroskopie, der Fluoreszenz-Mikroskopie. Dabei werden Fluoreszenzfarbstoffe, sogenannte Fluorophore, mit Licht einer Wellenlänge angeregt und strahlen dadurch dann selbst Licht einer anderen Wellenlänge ab. Für seinen Aufbau verwendete der Forscher aus der Arbeitsgruppe von Katrin Heinze eine sogenannte biokompatible Nanostruktur: Einen Objektträger aus Quarz mit einer dünnen Beschichtung aus Metall und Dielektroden. Die verwendete Probe markierte er mit Fluorophoren und positionierte sie darüber.
„Das Emissionsspektrum eines fluoreszierenden Farbstoffes über diesem Aufbau ist abhängig von seiner Position. Die Positions-Information des Fluorophors wird in Farbe umgewandelt, und die messen wir “, vereinfacht Elsayad die Erklärung dazu, wie es schlussendlich zur Bildgebung kommt. Mit seiner ausgeklügelten Methode benötigt der Wissenschaftler nur eine einzige Messung und ist somit zeitlich unabhängig von der Scan-Geschwindigkeit oder der Anregung der Fluorophore. „Das schöne an unserer Anordnung ist, dass man relativ einfach sehr genaue Daten bekommt, ohne komplizierte Aufbauten oder Geräte zu benötigen. Unsere Analysen können wir an einem gängigen konfokalen Mikroskop durchführen “ ergänzt Heinze.
Einfache Methode mit großem Potenzial
Elsayad und Heinze konnten bereits beweisen, daß die von ihnen entwickelte Methode auch in der Praxis funktioniert. Gemeinsam mit Kollegen vom IMBA (Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften) verwendeten sie die neue Technik, um Paxillin, ein Protein, das für Zelladhäsion wichtig ist, in lebenden Zellen zu markieren und zu untersuchen. Auch die Dynamik von Filopodien, kleinen Zellfortsätzen, die aus Aktin-Filamenten aufgebaut sind und sich rasch verändern, konnte mit der neuen Methode veranschaulicht werden.
Wurde die Technik ursprünglich für bestimmte Fluorophore entwickelt, kann sie problemlos für weitere adaptiert werden. Auch die Analyse von zwei oder mehreren fluoreszierenden Farbstoffen gleichzeitig ist für die Forscher denkbar. „Generell gibt es eine Vielzahl an möglichen Weiterentwicklungen und Anwendungen für unsere Methode“, blickt Elsayad in die Zukunft. „Etwa das Sequenzieren von DNA. Allerdings müsste man dafür noch viel Zeit und Geld investieren.“ Breites Interesse an der neuen, patentierten Technik ist auf alle Fälle vorhanden, und auch erste Anfragen von großen optischen Unternehmen gab es bereits.
(PNAS, 2013;doi: doi:10.1073/pnas.1307222110)
(IMP – Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie GmbH, 28.11.2013 – AKR)
