Uni Göttingen: Neues 3D-Mikroskop macht Unsichtbares sichtbar
Das Gehirn einer Maus unter einem Mikroskop betrachten? Lichtblattmikroskope machen Gewebe und ganze Organe in 3D-Bildern sichtbar. Eine dünne Schicht aus Licht bewegt sich dabei durch die Probe und erzeugt Ebene für Ebene ein dreidimensionales Abbild.
Die neue Lichtblatt-Technologie macht Gewebe vom Zellniveau bis zum ganzen Organ sichtbar.
Foto: royalty/Smarterpix
Herkömmliche Geräte stoßen bisher an Grenzen: Entweder man sieht nur das große Ganze, nämlich das gesamte Organ in einer unscharfen Auflösung oder man sieht Details in Form einzelnen Zellen in voller Schärfe, dafür aber nur als winzigen Ausschnitt.
Die neue Technologie wurde von einem Forschungsteam der Universität und Universitätsmedizin Göttingen (UMG) zusammen mit Forschenden der Universität Lübeck entwickelt. Diese umfasst eine Plattform für Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskope und verbessert die Bildgebung um ein Vielfaches.
Wie das Mikroskop funktioniert
Das Gerät nutzt die sogenannte Lichtblatt-Mikroskopie. Statt die Gewebeprobe mit einem Laserstrahl zu durchleuchten, wird der Laser zu einer hauchdünnen „Lichtscheibe“ geformt. Nur diese dünne Ebene leuchtet auf und eine integrierte Kamera macht davon ein Foto. Dann wird die Probe ein Stück weiterbewegt und die nächste Ebene kann fotografiert werden.
Wie es in der Originalpublikation im Nature-Magazin heißt, wird das Licht gewissermaßen über die Probe „gefegt“: So kann eine große Fläche in extrem kurzer Zeit mikroskopiert werden. Der weitere Aufbau des Mikroskops sorgt ebenfalls für eine präzise Bildgebung:
- Meniskuslinse: Die speziell geformte Linse verhindert Bildfehler, die entstehen, wenn Licht von der Luft in die Flüssigkeit, in der die Probe liegt, eintritt.
- Gekrümmter Spiegel: Ein winziger Hohlspiegel im Inneren korrigiert die natürliche Krümmung des Lichtstrahls, sodass das Bild bis in die letzten Ecken scharf bleibt.
- Feedback-Schleife: Ein Computer überwacht die Bewegung des Spiegels in Echtzeit und korrigiert kleinste Abweichungen, was die hohe Geschwindigkeit erst möglich macht.
100 Bilder pro Sekunde möglich
Das System erfasst Details bis auf 850 Nanometer klar. Das entspricht etwa einem Hundertstel der Breite eines menschlichen Haars. Man kann zudem 100 Bilder pro Sekunde von Proben von einem Kubikzentimeter machen – das ist die Größe eines Würfelzucker-Stücks.
Dabei erscheint das 3D-Objekt nicht in Teilen verschwommen, sondern mit gleichmäßig hoher Auflösung. Damit das Licht in die Tiefe des Gewebes vordringen kann, wird die Probe im Vorschritt durch chemische Verfahren durchsichtig gemacht.
„Jede Methode des Clearings verändert das Gewebe optisch ein wenig anders. Das beeinflusst, wie stark das Gewebe das Licht ablenkt. Viele Mikroskope haben damit Probleme. Doch unser System liefert bei wechselnden Brechungsindizes scharfe 3D-Bilder“, erklärt Jan Huisken von der Universität Göttingen.
Gehirn einer Maus in Seitenansicht (links), sowie Aufnahmen eines Blutgefäßes (rechts) sichtbar gemacht mit dem Lichtblatt-Fluoreszenz-Mikroskop.
Foto: Adaptiert nach Aakhte, M. et al., Nature Biotechnology, DOI: 10.1038/s41587-025-02882-8; lizensiert nach CC BY 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Einsatz in der Medizin
Das System wird beispielsweise angewendet, um die Verbindungen von Nervenzellen in der Hörschnecke (Cochlea) einer Maus zu kartieren. Die 3D-Darstellung ermöglicht es den Forschenden, die Detailstruktur der Cochlea auf Einzelzellniveau bei Gesundheit und Krankheit zu untersuchen und so neue Erkenntnisse über ihre Funktion zu gewinnen.
Die Technologie ist ein Werkzeug, welches besonders in der medizinischen Grundlagenforschung eingesetzt werden kann. Neben dem besseren Verständnis von Krankheiten gibt es weitere Einsatzbereiche:
- Digitaler Zwilling von Organen: Da das Mikroskop ganze Zentimeter-große Proben am Stück scannt, können Forscher komplette 3D-Karten von Organen erstellen. Man sieht nicht nur eine einzelne Zelle, sondern auch, wie sie mit dem restlichen Körper vernetzt ist.
- Zeitersparnis: Früher dauerte das Scannen eines ganzen Organs in dieser Qualität Tage oder Wochen. Die Schnelligkeit beschleunigt die Entwicklung neuer Medikamente und Therapien erheblich.
„Unsere Plattform ist kompakt, robust und leicht reproduzierbar, da sie auf zugänglichen Komponenten basiert“, so Erstautor Dr. Mostafa Aakhte von der Universität Göttingen, der entscheidend zu Entwicklung und Bau des Mikroskops sowie zu den Messungen beigetragen hat. „Sie ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Auch in der medizinischen Praxis kann sie zur Anwendung kommen, zum Beispiel in der Diagnostik und in der Planung komplizierter Operationen.“
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