Tiefengewebsmikroskopie durchbricht die 100-Nanometer-Grenze

Zwei Verfahren kombinieren, um den Tiefenkompromiss zu umgehen

Die Standard-Zweiphotonenmikroskopie ist seit Langem ein Standardwerkzeug für die Bildgebung lebender Systeme, weil sie biologisches Gewebe mit minimalen zellulären Schäden durchdringt. Doch der Blick tiefer in die Proben bedeutete bisher, auf feine Details zu verzichten. Oberflächenbasierte Superauflösungsverfahren wie die stimulierte Emissionsauslöschung (STED) und die photoaktivierte Lokalisierungsmikroskopie (PALM) können Strukturen weit unter 100 Nanometern auflösen, doch diese Klarheit lässt sich beim Blick in dickes Gewebe nicht halten, heißt es in einem Bericht von Phys.org.

Die neue optische Erfindung schließt diese Leistungslücke. Entwickelt wurde die Plattform von einem Team unter der Leitung von Aart Verhoef, Assistenzprofessor für Biophotonik an der Texas A&M University; sie kombiniert zwei optische Verfahren direkt auf einem Standard-Zweiphotonensystem: die zweiphotonenangeregte Bildabtastmikroskopie (Image Scanning Microscopy) und die optische Fluktuations-Superauflösungsbildgebung (SOFI). Das so entstandene Hybridsystem trägt die Bezeichnung 2PE-ISM-SOFI.

„Diese Technik baut auf zwei Mikroskopieverfahren auf, die durch Tiefe und Detail begrenzt waren, aber mit dieser Technik können wir tief ins Gewebe blicken und die Auflösung verbessern.“

— Aart Verhoef, Assistenzprofessor für Biophotonik an der Texas A&M University

75-Nanometer-Auflösung mit Quantenpunkten

Indem das Forschungsteam beide Techniken auf einem einzigen Multiphotonen-Aufbau schichtete, erreichte es eine laterale Auflösung von rund 75 Nanometern, etwa fünfmal schärfer als herkömmliche Zweiphotonensysteme. Dieser Maßstab entspricht Strukturen, die etwa tausendmal dünner sind als ein menschliches Haar.

Um den Prototyp des Bildgebungsaufbaus zu demonstrieren, untersuchten die Forscher kultivierte Dopamin-Neuronen aus dem ventralen Mittelhirn von Mäusen. Das Team markierte zelluläre Tubulin-Strukturen mit QD625-Quantenpunkten, was die Verfolgung optischer Fluktuationen unter Multiphotonen-Anregung ermöglichte, wie Phys.org berichtet. Erstautor Anton Classen und seine Kollegen zeigten, dass der Aufbau feine intrazelluläre Netzwerke auflösen konnte, die unter herkömmlichen Multiphotonensystemen für dicke Gewebe üblicherweise zu gleichförmigen Massen verschwimmen.

Von der Neurologie zur Pflanzenbiologie

Der Durchbruch baut auf vorläufigen experimentellen Arbeiten auf, die das Team der Texas A&M University erstmals 2024 in der Fachzeitschrift PRX Life veröffentlichte. Während sich die jüngste Studie auf neuronale Strukturen konzentrierte, wurde die zugrunde liegende biophotonische Innovation entwickelt, um praktische Beobachtungsgrenzen in mehreren wissenschaftlichen Disziplinen zu überwinden, darunter Bodenkunde und Landwirtschaft.

Co-Autorin Alma Fernandez Gonzalez, Biophotonik-Forscherin in der Abteilung für Boden- und Nutzpflanzenwissenschaften (Department of Soil and Crop Sciences) der Texas A&M University, merkte an, dass der praktische Einsatz in verschiedenen Disziplinen weitere technische Verfeinerungen erfordern wird. Künftig will das Forschungsteam das optische System anpassen, um Wurzelnetzwerke, Pflanze-Mikroben-Interaktionen und frühe Krankheitsverläufe direkt in intakten lebenden Pflanzengeweben zu untersuchen, ohne dass physische Schnitte nötig sind, so Phys.org.

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