Seit ihren Anfängen vor über 400 Jahren hat die Mikroskopie sprunghafte Fortschritte gemacht und sogar einzelne Atome auf den Prüfstand gestellt. Jetzt, wie Nick Lunn für National Geographic berichtet, geht eine neue Art der Mikroskopie einen weiteren großen Schritt voran: Sie macht hochauflösende 3-D-Bilder von lebenden Zellen, während sie sich in Organismen bewegen und arbeiten.
Laut einer Pressemitteilung des Howard Hughes Medical Institute, das an der neuen Maschine mitgearbeitet hat, sind die meisten Mikroskope zu langsam, um Zellbewegungen in 3D zu erfassen. Obwohl Forscher lebende Zellen abgebildet haben, ist es schwierig, hochauflösende Bilder von Zellgruppen zu erhalten. Moderne Hochleistungsmikroskopie taucht Zellen auch in starkes Licht, das manchmal tausend- oder millionenfach intensiver ist als die Sonne, was ihr Verhalten ändern oder sogar die winzigen Objekte schädigen kann.
"Dies wirft den nagenden Zweifel auf, dass wir keine Zellen in ihrem ursprünglichen Zustand sehen, die glücklich in dem Organismus verwurzelt sind, in dem sie sich entwickelt haben", sagt Eric Betzig, Chemie-Nobelpreisträger und Projektteamleiter bei Howard Hughes. "Es wird oft gesagt, dass Sehen Glauben ist, aber wenn es um Zellbiologie geht, denke ich, ist die passendere Frage: 'Wann können wir glauben, was wir sehen?'"
Ein besonderes Problem beim Betrachten der Innenseiten lebender Organismen besteht darin, dass die Oberfläche des Motivs dazu neigt, Licht zu streuen und das Bild zu verzerren. Und je tiefer Sie schauen, desto schlimmer ist das Problem. Um dieses Problem zu lösen, verwendet das neue Oszilloskop eine Technik aus der Astrophysik, die adaptive Optik. Wie bodengestützte New-Age-Teleskope, die Bildverzerrungen, die durch die Erdatmosphäre verursacht werden, korrigieren können, kann das Oszilloskop die durch Oberflächenstreuung verursachten Verzerrungen korrigieren.
„Wenn Sie die Verzerrung des Lichts messen können, können Sie die Form des Spiegels ändern, um eine gleichmäßige und entgegengesetzte Verzerrung zu erzielen, die diese Aberrationen aufhebt“, erklärt Betzig Lunn.
Eine andere Spitzentechnik, mit deren Hilfe dieses neue Zielfernrohr funktioniert, ist die Gitter-Lichtblatt-Mikroskopie, eine Technik, die Betzig Anfang dieses Jahrzehnts als Pionier entwickelt hat. Anstatt eine Probe in schädliche, hochintensive Strahlen zu tauchen, streicht das Mikroskop eine ultradünne Lichtfläche über die Probe und erzeugt so viele hochauflösende 2D-Bilder. Diese werden dann gestapelt, um 3-D-Bilder zu erstellen, ohne die Probe zu bleichen oder zu beschädigen. Das Ergebnis der beiden Techniken ist ein klares 3-D-Bild von Zellen, die sich natürlich verhalten. Eine detaillierte Beschreibung der Technik erscheint in der Zeitschrift Science .
"Das Studieren der Zelle auf einem Deckglas ist, als würde man einem Löwen im Zoo zuschauen. Man sieht nicht genau, wie sich seine Eingeborenen verhalten", erzählt Betzig Lunn. „[Mit dem Zielfernrohr] kann man zusehen, wie der Löwe eine Antilope auf die Savanne jagt. Du siehst endlich die wahre Natur der Zellen. “
Die bisher geschaffenen Bilder sind atemberaubend. Laut Brandon Specktor von LiveScience konzentrierten sich die Forscher auf transparente Zebrafische, Nematoden und Krebszellen. Ihre ersten 3D-Filme zeigen Krebszellen, die sich durch Blutgefäße bewegen, Immunzellen, die Zuckermoleküle schlucken, und Zellen, die sich im Detail teilen.
Noch aufregender als die feinen Bilder ist, dass die Forscher aufgrund der Detailintensität die Gewebe, die sie betrachten, „explodieren“ lassen, um einzelne Zellen zu betrachten. "Jedes Mal, wenn wir ein Experiment mit diesem Mikroskop durchgeführt haben, haben wir etwas Neues beobachtet - und neue Ideen und Hypothesen zum Testen generiert", sagt Tomas Kirchhausen, leitender Ermittler am Boston Children's Hospital, in einer Pressemitteilung. "Es kann verwendet werden, um fast jedes Problem in einem biologischen System oder Organismus zu untersuchen, an das ich denken kann."
Es wird eine Weile dauern, bis diese Mikroskopie-Revolution das Labor und andere Universitäten und Krankenhäuser erreicht. Wie Specktor berichtet, ist das erste Mikroskop ein „Frankenstein-Monster“, das mit Teilen anderer Mikroskope und Maschinen zusammengeschustert ist. Es nimmt derzeit einen zehn Fuß langen Tisch ein und erfordert zum Betrieb eine angepasste Software.
Der Pressemitteilung zufolge werden jedoch zwei Bereiche der zweiten Generation, die in kooperierenden Labors untergebracht sein werden, nur den Platz eines Schreibtisches einnehmen und Forschern aus der ganzen Welt zur Verfügung stehen, die sich für ihre Verwendung bewerben. Das Team wird auch die Pläne für das Instrument veröffentlichen, damit andere Institutionen versuchen können, ihre eigenen zu bauen. Vielleicht wird in zehn Jahren, so Betzig gegenüber Specktor, ein kleineres, erschwingliches Modell im Handel erhältlich sein.
Bis dahin müssen uns die neuen Bilder überraschen. Wir stimmen mit Betzig überein, der Lunn sagt, dass das erste Mal, als er Bilder aus dem Scope sah, "f *** e genial war". Dies ist natürlich eine wissenschaftliche Fachsprache für "wirklich ordentlich".
