Forscher haben eine neue optische Mikroskopietechnik namens SPIFFI entwickelt, die im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren in jedem einzelnen Bild eine überauflöste Darstellung liefert und so Live-Videos von lebenden Zellen ermöglicht.
Die herkömmliche optische Mikroskopie stößt seit langem an eine fundamentale physikalische Grenze. Die Beugungsgrenze beschränkt die räumliche Auflösung auf etwa 200 Nanometer, was den direkten Einblick in nanoskalige Strukturen im Inneren von Zellen stark erschwert. In den vergangenen drei Jahrzehnten wurden zwar diverse Methoden der Superauflösungsmikroskopie wie SMLM, STED und SIM entwickelt, um diese Barriere zu durchbrechen. Ihre Bedeutung für die Lebenswissenschaften wurde unter anderem mit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie im Jahr gewürdigt, wie wissenschaftliche Rückblicke zur Superauflösungsmikroskopie aufzeigen.
Wie SPIFFI die physikalische Beugungsgrenze umgeht
Dennoch stießen bisherige Techniken vor allem bei der Untersuchung lebender Zellen an praktische Grenzen. Konventionelle Superauflösungsmikroskope erfordern meist die Aufnahme von Hunderten oder Tausenden Einzelbildern, um ein einziges scharfes Resultat zu berechnen. Da sich lebende Zellstrukturen ständig bewegen, ist dieser Ansatz für dynamische Prozesse ungeeignet.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher das Verfahren SPIFFI, was für spatial polarization-induced fluorescence fluctuation imaging steht. Die Technik nutzt aus, dass fluoreszierende Moleküle polarisiertes Licht aussenden. Die Lichtwellen schwingen dabei bevorzugt in bestimmte Richtungen, je nachdem, wie das Molekül im Raum orientiert ist. Das Gerät teilt das fluoreszierende Licht in vier polarisationssensitive Kanäle auf und vergleicht die daraus entstehenden Bilder, um verborgene Strukturdetails freizulegen.
Echtzeit-Videos und Integration in bestehende Mikroskope
Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass SPIFFI die Auflösung in einer einzigen Aufnahme verdoppeln kann. Das Verfahren erreicht Strukturen von etwa 160 bis 170 Nanometern Größe und bildete Prozesse wie die Zellteilung und Zellfusion scharf ab, wie ein Bericht von PetaPixel über die SPIFFI-Mikroskopie im Detail ausführt.
Mit bisherigen Techniken führte die Aufnahme vieler Bilder nur zu einem einzigen superaufgelösten Einzelbild.
Wei Guo, LBEN-Doktorand, via PetaPixel
Hinter der Entwicklung stehen Wei Guo, Lely Feletti und Aleksandra Radenovic. Radenovic ist im Laboratory of Nanoscale Biology der Fakultät für Ingenieurwissenschaften an der EPFL tätig. Die Arbeitsgruppe integrierte die SPIFFI-Bilder zudem nahtlos in bestehende fluktuationsbasierte Auswertemethoden, womit sich Auflösungen von rund 80 Nanometern erzielen lassen.
„kann schnell ablaufende Prozesse innerhalb von Zellen erfassen und gleichzeitig hochdurchsatzfähige, mehrdimensionale Bildgebung jenseits der Grenzen herkömmlicher Mikroskope ermöglichen.“
Aleksandra Radenovic, Laboratory of Nanoscale Biology an der EPFL, via PetaPixel
Ein praktischer Vorteil der neuen Technik ist, dass die optische Hardware in bereits vorhandene Fluoreszenzmikroskope integriert werden kann. Die Forschungsgruppe arbeitet derzeit an einer kompakteren Version des Aufbaus, um die Handhabung im Laboralltag weiter zu erleichtern.
