Lasersystem verbessert Mikroskopieverfahren zur Erforschung verborgener Zellwelten
Studie zeigt, wie zwei-Photonen-Mikroskopie komplexe Gewebe auf der Ebene der Zellen sichtbar macht
Forschende am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY haben gemeinsam mit internationalen Partnern ein neues Lasersystem entwickelt, das die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie deutlich vereinfachen könnte. Die Technologie basiert auf einem kompakten ultraschnellen Faserlaser und ermöglicht es, mehrere Zelltypen oder -strukturen gleichzeitig sichtbar zu machen und so komplexe Wechselwirkungen im Gewebe zu untersuchen. Der Ansatz könnte auch in der medizinischen Forschung Anwendung finden. Über ihre Ergebnisse berichtet das von Forschenden des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE) und des DESY geleitete Team in der Fachzeitschrift Laser & Photonics Reviews.
Eine rechnerisch optimierte Laserplattform erzeugt drei exakt abgestimmte Farben ultrakurzer Lichtimpulse (oben), die zur Beleuchtung biologischer Gewebe und zur gleichzeitigen Anregung verschiedener Fluoreszenzmarker eingesetzt werden. Jede Farbe hebt dabei selektiv einen bestimmten Zellstruktur-Typ hervor. Die resultierenden Aufnahmen (unten) zeigen dicht gepackte Neuronen, unterstützende Gliazellen sowie Zellkerne – ebenso wie Strukturen in Maus-Nierengewebe – und ermöglichen es Forschenden, die Anordnung und Wechselwirkung unterschiedlicher Zelltypen zu beobachten.
Marvin Edelmann, DESY
Die Zwei-Photonen-Mikroskopie ist ein wichtiges Werkzeug der modernen biomedizinischen Forschung. Sie ermöglicht hochauflösende dreidimensionale Einblicke in Gewebe und Zellstrukturen. Besonders leistungsfähig ist die Methode, wenn mehrere Zellbestandteile gleichzeitig in unterschiedlichen Farben dargestellt werden können. In der Praxis ist diese sogenannte mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie jedoch technisch anspruchsvoll, da sie in der Regel mehrere kostspielige Lasersysteme erfordert, die jeweils Licht unterschiedlicher Farben erzeugen.
Die Studie, geleitet von DESY-Forscher Marvin Edelmann und dem UKE-Wissenschaftler Andreu Matamoros-Angles, stellt einen Ansatz vor, der diese Komplexität deutlich reduziert. In dem interdisziplinären Projekt arbeiteten Laserphysikerinnen und -physiker des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) – einer gemeinsamen Einrichtung von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg – mit Forschenden des Instituts für Neuropathologie am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) sowie der Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC) zusammen, die biologische Probenpräparation und Analysen beisteuerten. Die Zusammenarbeit spiegelt ein umfassenderes Bestreben bei DESY wider, Lasertechnologien in enger Partnerschaft mit anderen in Hamburg ansässigen Forschungseinrichtungen zu entwickeln.
Statt mehrere Laser zu kombinieren, nutzt das System eine einzige faserbasierte ultraschnelle Laserquelle. Durch gezielte Simulationen und ein speziell entwickeltes optisches Design gelang es den Forschenden, das breite Spektrum der Laserpulse präzise zu formen. So können aus einer einzigen Quelle gleichzeitig mehrere klar definierte Anregungsfarben erzeugt werden, mit denen sich unterschiedliche biologische Strukturen und Dynamiken gezielt untersuchen lassen.
„Das Lasersystem basiert auf einem einzelnen Faserlaser, dessen Spektrum mithilfe einer speziell entwickelten photonischen Kristallfaser verbreitert wird. Der entscheidende Fortschritt besteht darin, dass wir mithilfe von Computersimulationen genau vorhersagen können, welche Farben die Faser erzeugt. Das macht das System reproduzierbar und praxistauglich“, sagt Marvin Edelmann, Erstautor der Studie und Doktorand bei DESY sowie an der Max Planck School of Photonics. „Unsere Arbeit zeigt, wie sich durch gezielte Simulationen eine kompakte und kosteneffiziente Kurzpulslaserquelle für die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie entwickeln lässt“, ergänzt Mikhail Pergament, Leiter der Lasergruppe in der Gruppe Ultrakurzzeit-Laser- und Röntgenphysik (UFOX) bei DESY.
Die Laserquelle erzeugt drei spektral getrennte ultrakurze Pulse bei etwa 960, 1080 und 1175 Nanometern – Wellenlängen, die sich besonders gut zur Anregung gängiger Fluoreszenzmarker eignen. Um das System zu testen, untersuchten die Forschenden dreifach markierte Gewebeproben aus Mausgehirn, Niere und Leber. Mit der mehrfarbigen Zwei-Photonen-Mikroskopie konnten verschiedene Zellstrukturen gleichzeitig sichtbar gemacht werden, darunter neuronale Netzwerke, Astrozyten, Zellkerne, Blutgefäße und Nervenfasern.
„Kompakte Laserquellen wie diese werden die mehrfarbige Multiphotonen-Mikroskopie deutlich breiter zugänglich machen“, sagt Franz X. Kärtner, Leiter der UFOX-Gruppe bei DESY und Professor für Physik an der Universität Hamburg, wo die Studie durchgeführt wurde. Markus Glatzel, Professor und Direktor des Instituts für Neuropathologie am UKE, ergänzt:
„Diese Technologie wird es ermöglichen, komplexe biologische Prozesse zu untersuchen, an denen mehrere Zelltypen beteiligt sind – etwa im Gehirn oder in Tumorgeweben. Langfristig könnte sie dazu beitragen, Krankheitsmechanismen besser zu verstehen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie zu eröffnen. Solche interdisziplinären Ansätze eröffnen neue Möglichkeiten für neuropathologische Untersuchungen mit hoher zeitlicher Auflösung, die maßgeblich von Fortschritten in der Lasertechnologie abhängen“, sagt Prof. Dr. Markus Glatzel, Direktor des Instituts für Neuropathologie des UKE.
In dem interdisziplinären Projekt arbeiteten Laserphysikerinnen und -physiker des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) – einer gemeinsamen Einrichtung von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg – mit Forschenden des Instituts für Neuropathologie am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) sowie der Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC) zusammen, die biologische Probenpräparation und Analysen beisteuerten.
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