Mikroskopiefilm: Das Zell-Daumenkino

27. Juli 2016
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Um etwa den Zellzyklus zu untersuchen, ist eine einzige Begutachtung nicht ausreichend. Forscher ermöglichen mit Zeitraffer-Mikroskopiefilmen nun Analysen über mehrere Tage. Die Software soll auf Grund geringer IT-Hürden für viele Wissenschaftler zugänglich sein.

Bestimmte Fragestellungen der modernen Zellbiologie können nur beantwortet werden, wenn ganz gezielt das Schicksal einzelner Zellen beobachtet wird. Forscher interessieren sich beispielsweise dafür, wie sich Stammzellen zu anderen Zelltypen weiterentwickeln.

Da sich solche Prozesse aber teilweise über mehrere Tage erstrecken, ist die Analyse mit Standardmethoden, die oft nur einen einzigen Zeitpunkt des Prozesses messen, nicht ausreichend.

Verwertbare Big Data

Eine Lösung ist das Aufzeichnen und Analysieren sogenannter Zeitraffer-Mikroskopiefilme. Ein solcher Film besteht aus vielen Einzelbildern. Da sich die Zellen von einem Bild zum anderen nur geringfügig bewegen, können einmal identifizierte Zellen quasi kontinuierlich beobachtet werden.

Diese Bildfolgen auszuwerten ist jedoch nicht trivial: „Auf der einen Seite müssen genug Bilder aufgenommen werden, um die Zellen nicht aus den Augen zu verlieren, auf der anderen Seite entstehen so enorme Datenmengen mit teilweise Millionen von Bildern“, erklärt Prof. Fabian Theis das bisherige Dilemma. „Es ging also darum, diese sprichwörtlichen Big Data für die Wissenschaft verwertbar zu machen.“

Eine neue Software ermöglicht die Beobachtung der Entwicklung einzelner Zellen. © Carsten Marr / TUM/HMGU

Eine neue Software ermöglicht die Beobachtung der Entwicklung einzelner Zellen. © Carsten Marr / TUM/HMGU

Theis ist Inhaber des Lehrstuhls für Mathematische Modelle biologischer Systeme der Technischen Universität München (TUM) und Direktor des Institute of Computational Biology (ICB) am Helmholtz Zentrum München. Er leitete die Studie gemeinsam mit Prof. Dr. Timm Schröder vom Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) der ETH Zürich.

Tool auch für Laien geeignet

Schröder forschte bis 2013 selbst am Helmholtz Zentrum München und befasst sich seit langem mit der Dynamik von Stammzellen: „Wir haben zwei separate Pakete geschnürt: ein manuelles Trackingtool und ein halbautomatisches Quantifizierungstool für Einzelzellanalysen in Zeitraffer-Mikroskopiefilmen. Beide zusammen erlauben die Messung von Eigenschaften wie etwa Länge des Zellzyklus, die Expressionsdynamik bestimmter Proteine oder Korrelationen dieser Eigenschaften zwischen Schwesterzellen.“

Und auch technische Hürden wurden so gut es ging beseitigt. „Unser Fokus lag darauf, die Anwendung auch für Forscher zu ermöglichen, die nicht über IT-Hintergrundwissen verfügen“, erklärt Schröder.

Originalpublikation:

Software tools for single-cell tracking and quantification of cellular and molecular properties
Oliver Hilsenbeck et al.; Nature Biotechnology, doi: 10.1038/nbt.3626; 2016

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