Lasermikroskope sind wichtige Werkzeuge für die biologische Forschung

Die Anwendung des Lichtmikroskopsin den Biowissenschaftenlässt sich bis zum niederländischen Kaufmann Anton van Leeuwenhoek zurückverfolgen. Leeuwenhoek beobachtete als Erster mit einem Lichtmikroskop winzige Lebensformen und erlangte dadurch weltweite Berühmtheit.In den rund 400 Jahren seitdem nutzen Wissenschaftler in den Biowissenschaften das optische Mikroskop nach wie vor als unverzichtbares Arbeitsinstrument. Die Beständigkeit dieser Technologie ist beeindruckend. Das Wort „mikroskopisch“ hat sich zudem seit langem in der allgemeinen Sprache etabliert und wird verwendet, um alles Winzige zu bezeichnen.

Ein 3D-Mikroskop im Einsatz. Die Halsschlagader einer Maus: Mithilfe der beiden Wellenlängen Chameleon werden verschiedene Zellkomponenten in unterschiedlichen Farben dargestellt. Das Hauptbild zeigt die „Vorderseite“ der Halsschlagader, der vertikale Schnitt auf der rechten Seite ist eine orthogonale Ansicht der Arterienwand.

Das Leben unter dem Mikroskop

Warum ist das optische Mikroskop nach wie vor so wichtig? Was hat das mit Lasern zu tun? Man könnte sagen, dass das optische Mikroskop das einfachste Instrument zur Abbildung der Struktur kleiner Objekte ist. Ein weiterer, ebenso wichtiger Grund ist jedoch, dass sich das optische Mikroskop zum einzigen Instrument entwickelt hat, das uns Aufschluss über die Bestandteile dieser Strukturen geben kann. Durch die Manipulation und Messung der Farbe (Wellenlänge) des Lichts, das mit der Probe interagiert, können Wissenschaftler Spektren verschiedener biochemischer Substanzen erstellen. Denn jedes Lebewesen, sei es ein einzelliger Amöbe,ein großer Baum oder ein Elefant, auf komplexen biochemischen Reaktionen beruht, ist dies eine äußerst nützliche Fähigkeit.

Früher war diese Art der chemischen Kartierung recht grob. Vor hundert Jahren wurden Proben von toten Pflanzen oder Tieren („fixierte Proben“) mit einem farbigen Farbstoff, einem sogenannten Färbemittel, chemisch behandelt. Das Färbemittel konnte sich entweder an alle Fette oder an alle Proteine in der Probe anlagern. Der Betrachter konnte dann erkennen, welche Teile der Probe von diesem Farbstoff gefärbt waren und welche nicht.

Wissenschaftlern stehen heute unzählige Farbstoffe zur Auswahl, und ihre Forschung ist weitaus komplexer als früher. Die meisten der heute verwendeten Farbstoffe sind fluoreszierende chemische Substanzen, die gemeinhin als Fluorophore oder Fluoreszenzfarbstoffe bezeichnet werden. (Fluoreszierende Materialien absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge und strahlen es mit einer anderen, längeren Wellenlänge wieder ab.) Manche Fluorophore sind lediglich in Flaschen abgefüllte chemische Substanzen, doch in den meisten Fällen handelt es sich um fluoreszierende Proteine, die direkt von gentechnisch veränderten Pflanzen oder Tieren produziert werden.

Der Laser ist die ultimative Lichtquelle für Mikroskope

Aber was ist mit dem Laser? Nun, genau darüber wollen wir jetzt sprechen. Es gibt nämlich mehrere Gründe, warum wir den Laser als die ultimative Lichtquellefür die Fluoreszenzmikroskopiebezeichnen. Wissenschaftler möchten mit dem Mikroskop schärfere Details erkennen. Das nennen wir räumliche Auflösung oder kurz Auflösung.Außerdem wollen sie echte dreidimensionale Objekte beobachten und nicht nur dünne Schnitte von toten Geweben. Und sie möchten mit dem Mikroskop lebende Organismen in Echtzeit beobachten. Es hat sich gezeigt, dass der Laser als Lichtquelle dazu beitragen kann, all diese Ziele zu erreichen.

Laser bieten für die Fluoreszenzmikroskopie mehrere entscheidende Vorteile.Erstens emittiert der Laser Licht nur einer einzigen Wellenlänge. Durchden Einsatz unserer OPSL-Technologie (Optically Pumped Semiconductor Laser)lässt sich diese Wellenlängezudembis zu einem gewissen Grad so wählen, dass sie mit der Absorptionswellenlänge eines bestimmten Fluorophors übereinstimmt. Ein Glasfilter vor der Mikroskopkamera blockiert den von der Probe gestreuten Laser (d. h. Streulicht) und stellt sicher, dass nur die Fluoreszenz selektiv abgebildet wird.Zwar können Sie auch mit einer Lampe oder einer gefilterten LED eine einzelne Wellenlänge erzielen. Der fokussierte Lichtfleck des Laserstrahls ist jedoch wesentlich kleiner als der Lichtfleck, den eine Lampe oder LED erzeugt. Dies ist ein entscheidender Vorteil des konfokalen Laserscanning-Mikroskops (CLSM), das 3D-Bilder liefert, ohne dass defokussiertes Hintergrundfluoreszenzlicht die dreidimensionale Abbildung beeinträchtigt.

Die Intensität des Lasers ist zudem wesentlich höher als die von Lampen oder LEDs, sodass selbst schwache Fluoreszenz schnell abgebildet werden kann.Darüber hinaus sind die hohe Intensität und die Einstellbarkeit des Lasers entscheidend fürdie Umsetzung modernster Superauflösungstechnikenwie PALM und STORM, mit denen Bilder mit einer Auflösung von nur wenigen Nanometern erzeugt werden können. Diese Technologie wurde 2014 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, da man noch vor 40 Jahren davon ausging, dass das Lichtmikroskop die harte Beugungsgrenze von etwa 250 Nanometern niemals überwinden könne.

In-vivo-Bildgebung

In vielen Bereichen der Biowissenschaften, insbesondere in den Neurowissenschaften, wünschen sich Forscher eine Bildtiefe, die ebenso hoch ist wie die Auflösung. Sie möchten klare Bilder aus den Tiefen des Gewebes oder sogar des gesamten Organismus erhalten. Sie möchten lebendes Gewebe abbilden. Obwohl sichkonfokale und superauflösende Verfahrenhervorragend für fixierte Proben eignen, verursachen sie bei lebenden Proben in der Regel zu große Lichtschäden. Glücklicherweisegibt es eine Techniknamens Multiphotonenmikroskopie,die diese Herausforderung mit Hilfe von Ultrakurzpulslasern bewältigen kann. (Ein weiterer Nobelpreis!). Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine äußerst wichtige Anwendung fürCoherent GrundCoherent Chameleon Coherent , Chameleon .

Mit Blick auf die Zukunft entwickeln Wissenschaftler derzeit Instrumente für medizinische Anwendungen, wie beispielsweise Echtzeit-Biopsien auf Basis der Multiphotonenmikroskopie. Dies ist möglich, da einige Multiphotonenverfahren gar keine Farbstoffe oder fluoreszierenden Proteine erfordern! Diese Verfahren werden unter dem Begriff „markierungsfreie Bildgebung“ zusammengefasst.

Lasermikroskope haben die Biologie tiefgreifend beeinflusst, und das oben Genannte ist nur ein kleiner Ausschnitt davon. Wir glauben, dass Leeuwenhoek, hätte er davon gewusst, sicherlich sehr überrascht und beeindruckt gewesen wäre – denn genau so geht es uns auch!