Ein Mikroskop mit strukturierter Beleuchtung zum Selbermachen

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Ein Mikroskop mit strukturierter Beleuchtung zum Selbermachen
Wissenschaftler der EPFL erklären, wie man 3D-Bilder von Zellen, Organoiden oder Embryonen erhält, indem man ein selbstgebautes Gerät an ein Lichtmikroskop anschließt, um es in ein superauflösendes Mikroskop zu verwandeln.

Mehrere hundert Jahre lang mussten sich Wissenschaftler damit begnügen, die Bewegungen von Zellen, Bakterien oder Hefepilzen durch ihre Lichtmikroskope von außen zu beobachten. Die Barriere der Lichtbeugung, die Bilder von Objekten unterhalb von 100 Nanometern unscharf und unbrauchbar machte, schien unüberwindbar. Diese Schwelle wurde schließlich vor etwa 15 Jahren mit der superauflösenden Mikroskopie überwunden, die es ermöglicht, in das Herz lebender Proben einzutauchen und beispielsweise das Verhalten von Organellen, die Interaktionen von Zellen mit Viren, Proteinen oder Arzneimittelmolekülen wahrzunehmen. Eine der entwickelten Methoden, die strukturierte Beleuchtungsmikroskopie, bietet eine außergewöhnliche 3D-Auflösung und einen hohen Kontrast bei geringer Photonenbelastung - Vorteile, die für viele Forschungsarbeiten sehr wertvoll sind. Trotz der Entwicklung von Elektronenmikroskopen, die eine Auflösung im Nanometerbereich ermöglichen, bleibt die optische Bildgebung im Bereich der Biowissenschaften unverzichtbar: Sie ermöglicht die Nutzung der verschiedenen verfügbaren Werkzeuge und die Möglichkeit, lebende Proben unter Bedingungen zu beobachten, die es ihnen erlauben, sich normal zu entwickeln. Mikroskope mit strukturierter Beleuchtung sind jedoch nach wie vor sehr teuer und nicht immer zugänglich. Wissenschaftler des Laboratoriums für Bio- und Nanoinstrumente (LBNI) der EPFL haben ein Gerät entwickelt, mit dem sie ihr Lichtmikroskop mit handelsüblichem Material kostengünstig in ein hochauflösendes Gerät umwandeln können. Die detaillierte Gebrauchsanweisung dieser genialen Erweiterung ist nun zusammen mit erklärenden Videos frei zugänglich.

Ein kompaktes Mikroskop, das auch von Laien gebaut und bedient werden kann.

Die strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) verbessert die Auflösung, indem sie die hohen Raumfrequenzen rekonstruiert, die normalerweise die unscharfen Bereiche sind, wenn Standard-Lichtmikroskope an ihre Grenzen stoßen. Dieses Verfahren verdoppelt die Auflösung und ermöglicht den Zugang zur Beobachtung von Elementen, die bis zu 100 Nanometer groß sind. Die Probe wird bekannten Beleuchtungsmustern ausgesetzt, z. B. Gittern. Auf der Grundlage von Bildern, die mit verschiedenen Schemata aufgenommen wurden, wird mit Hilfe von Algorithmen das Bild des Objekts rekonstruiert, wobei die Auflösung durch den Moiré-Effekt verbessert wird.

Als die Doktorandin Mélanie Hannebelle 2019 ein solches Gerät benötigte, entstand im Labor für Bio- und Nanoinstrumentierung am Interfakultären Institut für Bioengineering (IBI) der STI-Fakultät die Idee, ein solches Gerät zu bauen. Die Forscherin arbeitete also an einem selbst entwickelten Gerät. In anderen Labors waren bereits Systeme auf großen Tischen mit optischen Komponenten entwickelt worden, doch solche Installationen sind schwer zu reproduzieren. Das Ziel der Doktorandin war es, ein kompaktes, baubares Instrument zu entwickeln, das auch von Laien genutzt werden kann und keine teure Wartung erfordert. "Wir haben Bauteile aus der Elektronikindustrie für Videoprojektoren verwendet, wie sie auch in Klassenzimmern verwendet werden, und sie so umgebaut und angeordnet, dass sie eine Lichtstruktur auf die Probe projizieren", erklärt Georg Fantner, Professor am LBNI.

Von Forschern der Biowissenschaften validiert.

Um herauszufinden, ob das Potenzial dieses aufgerüsteten Mikroskops über die geniale Idee eines Spezialisten hinausgeht, boten die Wissenschaftler den Life-Science-Laboren der Schule an, das Mikroskop zu testen. Eine lokale Gemeinschaft scharte sich um das Projekt: Sie taten sich mit den Gruppen der Professoren Andrew Oates, Matthias Lutolf, John McKinney und Aleksandra Radenovic zusammen, um das Instrument an echten Forschungsproben zu testen. "Die Wissenschaftler brachten uns ihre Fragen und Proben und erklärten uns ihre Bedürfnisse. Wir erstellten einen Zeitplan, um zu sehen, wie das Instrument ihnen bei ihrer Forschung helfen würde", erinnert sich der Professor. Da die Rückmeldungen erfolgreich waren, ermöglichte es die Finanzierung durch die Open Science Initiative der EPFL, daran zu arbeiten, wie man diese Ergebnisse für alle nutzbar machen könnte. Ein reproduzierbares System daraus zu machen, mit Erklärungen, die so präzise sind, dass die Wissenschaftler, die sich damit beschäftigen und nicht die Geduld verlieren, bevor sie es fertiggestellt haben, stellte ebenfalls eine sorgfältige und zeitaufwendige Arbeit dar. Eine weitere Doktorandin, Esther Raeth, machte sich daran, die Referenzen zu dokumentieren, die benötigten Materialien zusammenzufassen und die Art und Weise, wie sie zusammengebaut werden sollten, mithilfe eines Videos zu dokumentieren. "Unser System erfordert nur ein gutes Lichtmikroskop, aber die meisten Labore haben ein solches", so der Professor.

Das OpenSIM soll nicht mit höher entwickelten Instrumenten konkurrieren: Es kennt im Vergleich zu seinen handelsüblichen Artgenossen einige Einschränkungen wie einen geringeren Modulationskontrast und damit ein geringeres Auflösungspotenzial - der Effizienzgewinn beträgt das 1,7-fache im Vergleich zu einem theoretischen Gewinn von 2x, aber das nützliche Ziel wird erreicht: Laboren, die nur wenige Forschungsarbeiten durchführen, die dies erfordern, oder die sich die Anschaffung eines Mikroskops mit strukturierter Beleuchtung, das mehr als eine halbe Million Franken kostet, nicht leisten können, einen ausreichenden Zugang zu dieser Technologie zu verschaffen. Das LBNI bemüht sich weiterhin, seine Arbeit so weit wie möglich zu verbreiten und eine Gemeinschaft von Nutzern zusammenzubringen, die ihre Erfahrungen austauschen können. "Seit unser Artikel auf BioRxiv.org erschienen ist, habe ich viele Nachrichten von Leuten erhalten, die die Idee sehr interessant finden und Informationen darüber suchen, wie sie ihr eigenes Gerät bauen können", schließt Georg Fantner.

Referenzen

Melanie T. M. Hannebelle, Esther Raeth, Samuel M. Leitao, Tomá? Lukes, Jakub Pospí?il, Chiara Toniolo, Olivier F. Venzin, Antonius Chrisnandy, Prabhu P. Swain, Nathan Ronceray, Matthias P. Lütolf, Andrew C. Oates, Guy M. Hagen, Theo Lasser, Aleksandra Radenovic, John D. McKinney & Georg E. Fantner. Open-source microscope add-on for structured illumination microscopy. Nature communications 26. Januar 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467­’024 -45567-7