Neues Mikroskop erlaubt zerstörungsfreie Analyse von Molekülen
Um die Entwicklung von Tumoren oder die Wirkung von Arzneien auf verschiedene Zellarten zu untersuchen, müssen Wissenschaftler bis ins Innere der Zelle schauen. Dort reagieren und interagieren Moleküle miteinander. Mit einem neuen Nano-Lasermikroskop kann man diese nun einfacher und ohne Leuchtstoffe beobachten.
Das neu entwickelte Mikroskop der Forschergruppe aus Bielefeld und Hongkong basiert auf Glasfasern.
Foto: Unig Bielefeld / J. Kopp
Zur genauen Untersuchung von Molekülen nutzen Wissenschaftler in der Regel moderne Lasermikroskope. Sie haben allerdings einen entscheidenden Nachteil: Damit Moleküle in den Zellproben auch sichtbar werden, müssen sie mit speziellen Leuchtstoffen markiert werden. Diese Stoffe beeinflussen unter Umständen das Verhalten der Moleküle und verfälschen möglicherweise auch das Ergebnis. Eine Forschergruppe der Universitäten Bielefeld und Hongkong hat in einem gemeinsamen Projekt ein neues Nano-Lasermikroskop entwickelt, das ohne diese farbige Markierung Moleküle sichtbar macht.
Die Forscher setzten, statt wie bisher auf die üblichen Festkörperlaser, auf einen kompakten Faserlaser, den sie extra entwickelten. Ihr Ergebnis: Das neue Mikroskop funktioniert rauschärmer, das heißt, es überlagern sich weniger Schwingungen und Wellen, die sich störend auf das Ergebnis auswirken könnten. Hinzu kommt, dass sich der Faserlaser auch in portablen Größen bauen lassen soll. Dann könne er auch in Operationsräumen sinnvoll genutzt werden.
In einem Billionstel einer Sekunde bestrahlt der Laser die Probe
„Für lebende Proben ist die Anfärbung mit fluoreszent leuchtenden Markern meistens ungeeignet“, sagt Thomas Huser, Biophysiker und Mitglied der Arbeitsgruppe Biomolekulare Photonik an der Universität Bielefeld. „Markerfreie Mikroskopie wird zum Beispiel gebraucht, um zu untersuchen, wie aus Stammzellen verschiedene neue Zelltypen entstehen. Auch lässt sich damit die Abgrenzung eines Tumors gegenüber normalem Gewebe ohne Anfärbung erkennen. Und wir können erfassen, wie medizinische Wirkstoffe mit den Molekülen in Herzmuskel-, Leber- und anderen Zellen reagieren.“ Seiner Ansicht nach ist deshalb die mikroskopische Bildgebung ohne den Einsatz von Markern ein hochaktuelles Thema in der biomedizinischen Forschung.
Faserlaser an sich sind nichts neues in der Wissenschaft. Sie wurden in jüngster Vergangenheit immer wieder für den Einsatz in optischen Nanomikroskopen getestet. Der Unterschied: In Faserlasern wird das Licht durch Glasfasern geleitet. Bei Festkörperlasern wird es – wie der Name schon sagt – durch Festkörper beispielsweise aus Kristall oder Glas geführt. „In Mikroskopen waren die Faserlaser bisher den Festkörperlasern aber unterlegen, weil sie weniger leistungsstark waren und die Intensität sehr verrauscht war“, erklärt Huser. Um diesem bekannten Problem entgegenzuwirken, setzten die Wissenschaftler nicht auf einen, sondern auf zwei synchronisierte optische Resonatoren. Diese Hohlräume mit Spiegeln sollten dafür sorgen, molekülspezifische Abbildungen zu erschaffen. Denn aus ihnen treffen die Laserstrahlen auf die Probe, die es zu untersuchen gilt. In kurzen Pulsen von Pikosekunden schicken die beiden Laser ihre Strahlen in Richtung Probe. Eine Pikosekunde entspricht einem Billionstel einer Sekunde. „Eine Herausforderung war, die beiden Laser so zu steuern, dass die Strahlen genau gleichzeitig durch eine Linse auf die Probe treffen“, erläutert Huser.
Bielefelder Prototyp als Basis für kompakte und portable Geräte
Insgesamt ist die Arbeit mit dem neuen Faserlaser-Mikroskop deutlich einfacher. „Es ist weniger störungsanfällig und die Probe muss nicht so aufwendig vorbereitet werden wie bei anderen Mikroskopen mit Festkörperlasern“, sagt Cihang (Sherry) Kong von der Universität Bielefeld. Den Wissenschaftlern war es bei ihrem Forschungsprojekt wichtig, möglichst breite Einsatzmöglichkeiten für ihr neues Mikroskop zu berücksichtigen. Deshalb soll der in Bielefeld gebaute Prototyp als Basis dienen, aus der dann portable Geräte gefertigt werden können. „Diese Kompaktmikroskope könnten dann auch im Operationssaal benutzt werden, zum Beispiel um die Grenzen von Tumoren während der Operation sichtbar zu machen“, erklärt Cihang Kong. Erste Studien dazu laufen bereits in Kooperation mit dem Evangelischen Klinikum Bielefeld. Ziel hier ist es, mit dem Gerät Gewebeproben der Leber zu untersuchen.
Der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) und das Research Grants Council (RGC) in Hongkong förderten die Zusammenarbeit der beiden Forschungsgruppen. Unterstützung erhielten sie auch durch das Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont 2020“ der Europäischen Union. Die Kooperation habe es den Wissenschaftlern ermöglicht, ihr Wissen auszutauschen. „Die neue Technologie bringt für viele biomedizinische Anwendungen Vorteile“, sagt Kenneth Wong, Leiter der Forschungsgruppe in Hongkong.
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