Live aus der Nervenzelle

28. März 2008
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Der vom Max-Planck-Institut aufgezeichnete Videoclip dauert nur 5 Sekunden und ist dennoch spektakulär. Denn Drehort ist das Innere einer Nervenzelle - ein neuer Meilenstein in der Mikroskopie. Für den Laien huschen gelbe und rote Flecken schnell über den Monitor. Das Expertenauge sieht hingegen Vesikel, die sich live in Richtung Membran bewegen.

Vesikel unter dem Mikroskop live verfolgen

Göttinger Wissenschaftler haben etwas geschafft, wofür sie viele ihrer Kollegen beneiden. Der Gruppe aus Physikern, Biologen, Chemikern und Ingenieuren gelang es erstmals, den Bewegungsablauf winziger Bausteine in lebenden Nervenzellen unter dem Mikroskop zu verfolgen und zu “filmen”. Das absolute Novum daran ist, dass die Belichtungszeit so stark reduziert werden konnte, dass die Bewegungen quasi in Echtzeit mitverfolgt werden konnten. Der Videoclip zeigt, wie sich mit Botenstoffen gefüllte Bläschen, sprich Vesikel, super schnell in den Nervenendigungen fortbewegen. Es sind Winzlinge mit einer Größe von 40 Nanometern, d.h. 40 Millionstel Millimetern. Die Hektik der Bläschen wurde mit 28 superscharfen Bildern pro Sekunde aufgezeichnet. Die Schärfe ist einer extrem hohen Auflösung zu verdanken. In diesem Fall bedienten sich die Wissenschaftler der STED-Mikroskopie. Der Livestream aus der Zelle wurde von einem Team am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie zusammen mit Forschern des Exzellenzclusters “Mikroskopie im Nanometerbereich” an der Göttinger Universität erstellt.

Auflösung jenseits der mikroskopischen Beugungsgrenze

Um scharfe Bilder und Bewegungen aus dem Inneren einer Zelle auf einen Videoclip zu bannen, braucht man Lichtmikroskope mit einer Auflösung im Bereich von Nanometern, also im Bereich von Millionstel Millimetern. Vor etwa zehn Jahren galt dies noch als unlösbar, weil die so genannte mikroskopische Beugungsgrenze von allen Experten als unüberwindbar angesehen wurde. Die nach Ernst Abbe benannte Abbesche Beugungsgrenze – seine Theorie datiert aus dem Jahr 1873 – liegt bei ca. 200 nm, was etwa der halben Wellenlänge des Lichts entspricht. Für scharfe Bilder aus dem Zellinneren reicht das nicht aus, weil es sich hier um Bausteine im Bereich von 20 bis 50 Nanometern handelt. Mit konventionellen Mikroskopen erhält man höchstens ein unscharfes, konturenloses Bild. Erst mit dem STED (Stimulated Emission Depletion) – Mikroskop wurde die Grenze von 200 nm durchbrochen. Der Erfinder des “Wundermikroskops” ist der Physiker Professor Dr. Stefan W. Hell. In den Jahren 1993 bis 1996 entwickelte er an der Universität Turku, Finnland, das Prinzip der STED-Mikroskopie. Aber erst das Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ermöglichte ihm die Umsetzung in einen Prototypen.

Lichtmikroskope contra moderne Werkzeuge

Lichtmikroskope sind die ältesten Vergrößerungshilfen für Forschung und Anwendung in der Medizin und der Biologie. Das jüngere elektronische Pendant läßt zwar auch kürzere Wellenlängen zu als die der Beugungsgrenze, hat aber gravierende Nachteile, so Hell. Man könne beispielsweise keine Bilder aus der lebenden Zelle machen. Außerdem müssen die Zellen für den Blick ins Innere fein zerschnitten werden, so der STED-Erfinder. Hinzu komme, dass Proteine sich nur durch fluoreszierende Marker erkennen und vor allem unterscheiden lassen. Und das sei schwierig in der Elektronenmikroskopie. Auch mit moderneren Erfindungen, wie die der Rasterkraftmikroskopie, könne man nicht die Ergebnisse erzielen wie mit dem STED-Prinzip.

Bildaufbau wie beim Röhrenfernseher

Das fundamental Neue am STED-Mikroskop ist, dass Hell es mit einem physikalischen Trick geschafft hat, den effektiven Brennfleck bis auf einen Durchmesser von 15 nm zu verkleinern. Damit war der Grundstein gelegt, Zellendetails schärfer zu erkennen, als es jemals mit der Abbeschen Beugungsgrenze möglich gewesen wäre. In der Zwischenzeit konnte die Belichtungszeit so weit reduziert werden, dass die Fortbewegung der Vesikel quasi in Echtzeit am Mikroskop verfolgt werden kann. Das eigentliche Bild aus dem Inneren der Zelle wird, ähnlich wie bei einem Röhrenfernseher, Punkt für Punkt aufgebaut. Dazu werden die gemessenen Fluoreszenzsignale im Computer abgespeichert und auf einem Monitor dargestellt.

Potential für neue Erkenntnisse in der Medizin

Hell wurde für die Entwicklung des STED-Mikroskops u.a. mit dem Deutschen Zukunftspreis in 2006 und mit dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz- Preis in 2008 ausgezeichnet. Vor kurzem brachte Leica Microsystems das erste kommerzielle STED-Mikroskop mit dem Slogan “Beyond the limits!” auf den Markt. Das “superauflösende” Mikroskop nennt sich Leica TCS STED und soll, so die Anbieter, die biomedizinische Forschung revolutionieren. Auch Physiker Hell verspricht sich vom STED grundlegend neue Erkenntnisse für die Medizin – beispielsweise beim Verständnis von Vorgängen in einer Krebszelle – oder für die Medikamentenentwicklung. Medikamente könnten, so hofft er, schneller entwickelt und die Nebenwirkungen reduziert werden.

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