Eine neue Mikroskopietechnik verbessert die Bildqualität in ­dreidimensionalen Zellmodellen

Der Physiker Rainer Heintzmann erforscht neue Ansätze für die Fluoreszenzmikroskopie. Gemeinsam mit einem Team der Universität Osaka hat der Jenaer Spezialist für Super-Resolution-Mikroskopie eine Methode entwickelt, die unerwünschtes Hintergrundlicht reduziert und feine Details in Zellverbänden klarer ­sichtbar macht.

Biologische Proben bestehen oft aus komplexen, dreidimensionalen Strukturen. Bei herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopen führt das Licht aus nicht fokussierten Ebenen dazu, dass Bilder an Kontrast und Schärfe verlieren. Besonders bei Zellhaufen oder Organoiden, die als realitätsnahe Modelle für biologische Prozesse dienen, ist das ein Problem.

Die neue Methode, Selective-plane-activation structured illumination microscopy (SPA-SIM), kombiniert strukturierte Beleuchtung mit einer gezielten Aktivierung fluoreszierender Moleküle. „Durch die selektive Lichtsteuerung innerhalb der Bildebene können wir störendes Hintergrundlicht verringern und damit den Bildkontrast deutlich verbessern“, erklärt Prof. Dr. Rainer Heintzmann vom Leibniz-IPHT und der Friedrich-­Schiller-Universität Jena.

Präzisere Bilder für ­komplexe Zellmodelle

Bestehende Mikroskopietechniken versuchen bereits, unerwünschte Lichtanteile zu minimieren – doch SPA-SIM geht weiter. Das Verfahren nutzt spezielle fluoreszierende Marker, die sich nur in der fokussierten Bildebene aktivieren lassen. Dadurch entstehen schärfere Bilder mit höherem Detailgrad.

„Bisher war es schwierig, tief in Zellverbände hineinzublicken, ohne dass das Bild an Schärfe verliert“, sagt Heintzmann. „Mit unserer Methode können wir den Kontrast gezielt erhöhen, ohne die Probe unnötig zu belasten.“ Dies könnte insbesondere für Langzeitbeobachtungen lebender Zellen nützlich sein.

Von der Bildverarbeitung zur Materialforschung

Heintzmanns Arbeiten zur Bildrekonstruktion fließen in interdisziplinäre Projekte ein, etwa im Sonderforschungsbereich PolyTarget an der Universität Jena, der sich mit polymerbasierten Wirkstoffsystemen für die Medizin beschäftigt. Auch im Leibniz-Wissenschaftscampus Infecto-Optics, der photonische Technologien für die Infektionsforschung entwickelt, spielt hochauflösende Bildgebung eine zentrale Rolle.

„Wenn wir Materialien auf molekularer Ebene präziser analysieren können, hilft uns das nicht nur in der Zellbiologie, sondern auch in der Materialforschung“, erklärt Heintzmann. Die Weiterentwicklung von SPA-SIM könnte somit langfristig auch in anderen wissenschaftlichen Bereichen neue Perspektiven eröffnen.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41592-024-02236-3