UT Southwestern entwickelt vielseitiges 3D-Mikroskop für die Bildgebung lebender Zellen
Das Multi-Immersion-System wechselt zwischen Luft, Wasser und Öl, ohne optische Komponenten neu aufzubauen.
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Forschende des UT Southwestern Medical Center haben eine Erfindung entwickelt, die mehrere Lichtblatt-Bildgebungsmodi in einem einzigen Instrument vereint. Das Multi-Immersion-Oblique-Plane-Mikroskop, vorgestellt in Nature Methods, liefert dreidimensionale Ansichten lebender Zellen und Gewebe und schützt sie zugleich vor Lichtschäden. Die Konfiguration ermöglicht es Forschungslaboren, unterschiedliche biologische Experimente durchzuführen, ohne separate Spezialsysteme anschaffen zu müssen.
Wechsel zwischen Luft-, Wasser- und Ölimmersion
Die Standard-Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie erfordert in der Regel spezielle Hardware für bestimmte Versuchsbedingungen. Aufnahmen intrazellulärer Details mit starker Vergrößerung verlangen ein Ölimmersionsobjektiv. Für die Beobachtung dickerer Gewebe oder Organoide ist Wasserimmersion oder spezielle Immersionsflüssigkeit nötig. Um schnell über Kulturplatten zu scannen, ohne die Probe zu berühren, braucht es ein Luftobjektiv. Wie aus einer von Phys.org veröffentlichten Arbeit hervorgeht, treiben separate Mikroskope für jedes Medium die Investitionskosten und den technischen Wartungsaufwand von Forschungseinrichtungen in die Höhe.
Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelten der korrespondierende Autor Reto Fiolka und Co-Erstautor Bingying Chen das Multi-Immersion-Oblique-Plane-Mikroskop, kurz miOPM. Die neue Erfindung nimmt Objektive für Luft, Wasser und Öl in einem einzigen optischen Aufbau auf. Ein verstellbares Zoomobjektiv gleicht die Unterschiede der Brechungsindizes aus, wenn Forschende die Flüssigkeit um eine Probe wechseln, und erhält die Bildschärfe, ohne dass die interne Optik manuell umgebaut werden muss.
„Unsere Arbeit macht eine verbreitete Mikroskopietechnik namens Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie vielseitiger und benutzerfreundlicher.“
— Reto Fiolka, Ph.D., außerordentlicher Professor am UT Southwestern Medical Center
Schnelle 3D-Bildgebung mit begrenzter Lichtbelastung
Das Instrument beleuchtet biologische Proben mit dünnen Lichtblättern und tastet Ebene für Ebene ab, um ein dreidimensionales Modell aufzubauen. Dieses Design begrenzt überflüssige Beleuchtung, dämmt Fototoxizität und Fotobleaching ein, sodass Forschende empfindliche lebende Proben über längere Zeiträume beobachten können.
In den von Phys.org beschriebenen Betriebsversuchen bildete das Team dynamische Bewegungen auf der Oberfläche von Immunzellen ab und kartierte die Funktion von Organellen. Das System löste einzelne Mitochondrien und mitochondriale DNA in HeLa-Gebärmutterhalskrebszellen auf, Aktinnetzwerke in Pankreaskrebszellen und kohlenhydratreiche Moleküle in Lungengewebe von Mäusen.
Hochdurchsatz-Screening auf Standard-Multiwell-Platten
Über isolierte Gewebepräparate hinaus lässt sich die Plattform mit Multiwell-Formaten verbinden, darunter Standard-384-Well-Platten. So können hunderte Probenvertiefungen mit lebenden menschlichen Zellen oder Mini-Tumoren automatisiert gescannt werden. Wie das Erfinderteam zeigte, entfällt durch die Bündelung dieser Fähigkeiten die Notwendigkeit, bei biologischen Hochdurchsatz-Screens zwischen separaten Mikroskopen zu wechseln oder diese neu zu kalibrieren.
Forschende der Pharmaindustrie können die Innovation nutzen, um zu untersuchen, wie chemische Bibliotheken auf Krankheitsziele in 3D-Gewebemodellen wirken. Da die Plattform die Lebensfähigkeit der Zellen bei wiederholten Scans erhält, lassen sich krankheitsbedingte strukturelle Veränderungen in Lungen-, Leber- und neurologischen Modellen über die Zeit verfolgen – ein Beispiel dafür, wie solches geistiges Eigentum sowohl akademischen Laboren als auch jedem Biotech-Start-up zugutekommen könnte, das das Patent lizenzieren möchte.
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