Forscher der Universität Tokio haben ein neuartiges Mikroskop entwickelt, das Strukturen gleichzeitig über einen 14-fach größeren Intensitätsbereich abbilden kann als herkömmliche Mikroskope. Entscheidend ist, dass dies ohne den Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen oder anderen Markierungsmitteln erreicht wird, wodurch es außerordentlich schonend für lebende Zellen ist und sich ideal für Langzeitbeobachtungen eignet. Der in Nature Communications veröffentlichte Durchbruch befasst sich mit einer grundlegenden Einschränkung der modernen Mikroskopie: dem Kompromiss zwischen der Auflösung großräumiger Zellmerkmale und der Verfolgung einzelner nanoskaliger Partikel.
Das Mikroskopie-Dilemma
Seit Jahrhunderten treibt die Mikroskopie den wissenschaftlichen Fortschritt voran. Fortgeschrittene Techniken erforderten jedoch in der Vergangenheit eine Spezialisierung. Die quantitative Phasenmikroskopie (QPM) eignet sich hervorragend für die Abbildung von Strukturen mit einer Größe von mehr als 100 Nanometern. Sie bietet einen umfassenden Blick auf Zellen, verfügt jedoch nicht über die nötige Empfindlichkeit, um kleinere Details zu erkennen. Die interferometrische Streumikroskopie (iSCAT) hingegen kann einzelne Proteine und nanoskalige Partikel verfolgen, hat jedoch Schwierigkeiten, den mit QPM sichtbaren umfassenden zellulären Kontext zu erfassen.
Diese Kluft zwingt Forscher dazu, zwischen ganzheitlichen Schnappschüssen und dynamischem Tracking zu wählen – bis jetzt.
Die Lücke schließen: Simultane Lichtmessung
Das Forschungsteam unter der Leitung von Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura und Takuro Ideguchi stellte die Hypothese auf, dass die gleichzeitige Messung von vorwärts und rückwärts gestreutem Licht diese Einschränkung überwinden könnte. Durch die Analyse, wie Licht aus beiden Richtungen mit einer Probe interagiert, wollten sie ein breites Spektrum an Größen und Bewegungen in einem einzigen Bild sichtbar machen.
„Ich möchte dynamische Prozesse in lebenden Zellen mit nichtinvasiven Methoden verstehen“, erklärt Horie die Motivation hinter der Arbeit.
Validierung des Mikroskops: Beobachtung des Zelltods
Um ihr neues Mikroskop zu testen, konzentrierte sich das Team auf einen dynamischen Prozess: den Zelltod. Indem sie ein einziges Bild aufzeichneten, das die Informationen sowohl des vorwärts als auch rückwärts wandernden Lichts kodierte, demonstrierten sie die Fähigkeit, sowohl die Bewegung größerer Zellstrukturen als auch die Bewegungen winziger Partikel innerhalb der Zelle zu quantifizieren.
„Unsere größte Herausforderung“, erklärt Toda, „bestand darin, zwei Arten von Signalen aus einem einzigen Bild sauber zu trennen und gleichzeitig das Rauschen gering zu halten und eine Vermischung zwischen ihnen zu vermeiden.“
Quantifizierung von Größe und Bewegung
Das resultierende Mikroskop erfasst nicht nur die Bewegung von Strukturen über mehrere Skalen hinweg, sondern schätzt auch die Größe und den Brechungsindex jedes einzelnen Partikels. Der Brechungsindex, ein Maß dafür, wie sich Licht beim Durchgang durch eine Substanz beugt, liefert zusätzliche Einblicke in die Zusammensetzung und Eigenschaften der beobachteten Partikel.
Diese kombinierte Fähigkeit ermöglicht es Forschern, dynamische Veränderungen in lebenden Zellen ohne die durch die Fluoreszenzmarkierung verursachten Artefakte zu verfolgen. Der einheitliche Ansatz verspricht eine Beschleunigung der Forschung in der Pharmazie, Biotechnologie und anderen Bereichen, die eine hochauflösende, langfristige Zellbeobachtung erfordern.
Diese Entwicklung stellt einen bedeutenden Schritt hin zu einer wirklich vielseitigen Mikroskopieplattform dar, die die Lücke zwischen mikro- und nanoskaliger Bildgebung schließen kann
