Neue Methoden der Tiefenauflösung für die 3D-Mikroskopie entwickelt

Auf dem Weg zur höchstauflösenden 3D-Mikroskopie an lebenden Zellen und Organismen hat die Arbeitsgruppe "Biophotonik" der Hochschule Aalen neue Methoden der Tiefenauflösung entwickelt. Hierzu gehört eine kürzlich zum Europäischen Patent angemeldete Technik zur Axialrotation.

Dabei können Schichtaufnahmen einer Probe unter beliebigen Winkeln durchgeführt und für eine dreidimensionale Ansicht genutzt werden. Dies führt gleichzeitig zu einer Verbesserung der Mikroskopie-Auflösung, die klassischerweise von der jeweiligen Koordinate (senkrecht oder parallel zur Detektionsrichtung) abhängt.

Damit begeben sich die Aalener Forscher auf die Spuren der Nobelpreisträger 2014 für Chemie, die für die "Super-Resolution in den Lebenswissenschaften" ausgezeichnet wurden. Anstatt wie die Nobelpreisträger Bestrahlungsstärken von mehr als tausend Sonnen zu nutzen, begnügt sich die Forschergruppe der Hochschulen Aalen allerdings mit einer Bestrahlungsstärke, die etwa der Leistung einer Sonne entspricht. Sie schützt damit die untersuchten lebenden Organismen.

Anwendungsgebiet

Mikroskopie ist eine etablierte und oft genutzte Technik in Forschung, Diagnostik und auch zur Qualitätsüberwachung in der Industrie. Die vorliegende Erfindung bietet eine einfache und damit kostengünstige Möglichkeit, dreidimensionale Proben zu untersuchen, ohne dass sich die Position der Probe in Bezug auf das Mikroskop verändert.

Stand der Technik

Meist befinden sich in der klassischen Mikroskopie die Proben auf Glasträgern und können nur von einer Seite betrachtet werden. Will man sie aus mehreren Perspektiven betrachten, müssen sie gedreht und dann wieder unter dem Mikroskop platziert werden. Dies birgt nicht nur die Gefahr von Veränderungen der Probe, sondern macht es auch fast unmöglich, resultierende Bilder zueinander in einen verlässlichen Kontext zu setzen.

Trotz des Bedarfs, dreidimensionale Proben zu untersuchen, bestehen für die Laser-Scanning-Mikroskopie keine Ansätze zur Probenrotation. Ansätze im Bereich der Lichtscheibenmikroskopie erfordern komplexe, sehr teure Aufbauten, die Nutzung dieser Aufbauten mit handelsüblichen Mikroskopen ist nicht möglich.

Innovation

Wissenschaftler der Hochschule Aalen - Technik und Wirtschaft haben nun eine Vorrichtung zur Probenrotation entwickelt, die in Verbindung mit unterschiedlichen Mikroskopie-Verfahren - auch Lichtscheibenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie - eingesetzt werden kann. Sie erlaubt die mikroskopische Untersuchung einer drei-dimensionalen Probe von allen Seiten unter Nutzung handelsüblicher Geräte.

Die dreidimensionale Probe wird dabei in einer Glaskapillare mit rundem Querschnitt fixiert. Diese Kapillare wird dann in eine weitere Glaskapillare mit rechteckigem Querschnitt eingebracht und optisch an diese gekoppelt. Die Rechteck-Kapillare wird in ihrer Halterung derart am Mikroskop befestigt, dass sie plane Flächen senkrecht zu den optischen Achsen der Anregung und der Detektion liefert, während ein Motor die innere Kapillare computergestützt dreht.

Durch diesen Aufbau lassen sich Abbildungsfehler vermeiden und es wird sichergestellt, dass alle Aufnahmen rechtwinklig zur Längsachse der Probe an einer durch den Rotationswinkel genau definierten Position erfolgen. Da die Probe ihre Position in Bezug auf das Mikroskop nicht verändert, können durch Single Plane Imaging Bildstapel aus unterschiedlichen Perspektiven erzeugt werden, was den Informationsverlust bei der 3D Rekonstruktion stark verringert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann problemlos an ein Mikrofluid-System angekoppelt werden und eignet sich somit auch für In-vivo-Langzeitbeobachtungen.

Quelle: Hochschule Aalen