Forschungsprojekt für biomedizinisches Bildgebungsverfahren Neun verschiedene Zellstrukturen auf einmal in einem Messdurchgang identifiziert

Neun verschiedene Zellstrukturen wurden in einem Aufwasch fluoreszenzmarkiert und damit mikroskopisch unterscheidbar gemacht.
Mit einem neuen Verfahren für fluoreszenzmikroskopische Messungen sind deutlich genauere Aufnahmen möglich. Damit können in einem Messdurchgang mehr Zellstrukturen auf einmal identifiziert werden.

Biotechniker und Biophysiker der Universität Würzburg haben mit einem neuen fluoreszenzmikroskopischen Verfahren neun verschiedene Zellstrukturen in einem einzigen Messdurchgang identifizieren können - theoretisch sind bis zu 15 möglich.

Die Fluoreszenzmikroskopie gehört zu den Standardmethoden in der Biologie. Das bildgebende Verfahren hat sich speziell für die Untersuchung menschlicher Zellen etabliert. Dafür wird ein bestimmter Bestandteil einer Zelle (z.B. Aktin-Filamente, röhrenförmige Proteine, die quasi das Skelett einer Zelle bilden) mit fluoreszierenden Sonden markiert, die sich in diesem Fall spezifisch an die Aktin-Filamente binden. Licht mit einer bestimmten Wellenlänge regt die Sonden zum Leuchten an, sodass unter dem Mikroskop der genaue Verlauf der Aktin-Filamente sichtbar wird.

Das Prinzip lässt sich natürlich erweitern: Zur Identifikation verschiedener Zellstrukturen werden mehrere Arten von fluoreszierenden Sonden verwendet, die jeweils an die verschiedenen Zellstrukturen spezifisch binden und mit unterschiedlichen Wellenlängen Leuchten. Je mehr Strukturen mit einem Messdurchgang eindeutig identifiziert werden können, desto effizienter wird die Messmethode.

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Biomedizinische Bildgebung

Ein neues Verfahren namens sFLIM ermöglicht deutlich genauere fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen.

Multiple Zellstrukturen identifizieren

Laut Thomas Niehörster, Doktorand bei Prof. Markus Sauer am Lehrstuhl für Biotechnologie und Biophysik der Universität Würzburg, bestehe hier eine große Schwierigkeit in der eindeutigen Unterscheidung der vielen fluoreszierenden Sonden. Anregendes und emittierendes Licht der Sonden seien sich teilweise sehr ähnlich. Zur besseren Unterscheidbarkeit nutzen die Forscher daher nicht allein drei abwechselnd gepulste Laser mit verschiedenen Wellenlängen (blau, rot, grün) zur Anregung der Sonden und die Unterschiede in deren Emissionsspektren, sondern auch das zeitlich leicht unterschiedliche Abklingen der Fluoreszenz, das sich im Bereich von wenigen Nanosekunden bewegt.

Die aufgenommenen Bilddaten werden über eine selbstgeschriebenen Software analysiert. „Am Ende können wir die fluoreszierenden Sonden mit bisher unerreichter Genauigkeit voneinander unterscheiden“, fasst Professor Sauer die Resultate zusammen.

Mit der erhöhten Genauigkeit der neuen Messmethode namens sFLIM (spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy), können die Biotechniker bis zu drei verschiedene Zellstrukturen mit demselben Fluoreszenzfarbstoff markieren und sie trotzdem klar voneinander unterscheiden. Je nach der chemischen Umgebung der betrachteten Struktur ändern sich die Fluoreszenzeigenschaften des Farbstoffs leicht, sodass eine Unterscheidung möglich wird.

Mit jedem der drei Laser lassen sich jeweils fünf Fluoreszenzsonden-Typen unterscheiden. Theoretisch könnten also 15 verschiedene Strukturen in einem Messdurchgang identifiziert werden. Allerdings sei es schwierig, so viele verschiedene Zellstrukturen gleichzeitig zu markieren, erklärt Thomas Niehörster und ergänzt: „Trotzdem ist es uns gelungen, neun Strukturen gleichzeitig zu markieren und abzubilden.“ Dazu gehören zum Beispiel das F-Actin-Proteingerüst des Zellskeletts, die Hülle des Zellkerns oder neu entstehende DNA.

An der Entwicklung der sFLIM-Messmethode waren auch Wissenschafter der Universität Göttingen und Mitarbeiter des Berliner Laserherstellers PicoQuant beteiligt. Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse im Fachmagazin Nature Methods.