Ein Mikroskop mit strukturierter Beleuchtung zum Selbermachen
Hunderte von Jahren war das Lichtmikroskop das einzige Instrument, das den Forschenden zur Verfügung stand, um die Bewegung von Zellen, Bakterien und Hefe zu untersuchen. Doch die Beugung des Lichts machte es unmöglich, Objekte mit einer Auflösung von weniger als 100 nm zu beobachten, da die resultierenden Bilder zu unscharf waren, um von Nutzen zu sein. Diese physikalische Grenze – die so genannte Beugungsgrenze – wurde schliesslich vor etwa 15 Jahren mit der Entwicklung der Superauflösungsmikroskopie überwunden, die es den Forschenden ermöglicht, tief in das Innere lebender Proben zu blicken, das Verhalten von Organellen zu untersuchen und zu beobachten, wie Zellen mit Viren, Proteinen und Arzneimittelmolekülen interagieren. Eine dieser neuen Methoden, die so genannte strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM), wird von den Forschenden sehr geschätzt, weil sie hochauflösende und kontrastreiche Bilder mit geringer Photonenbelastung erzeugt. Trotz des Aufkommens von Elektronenmikroskopen mit Nanometerauflösung spielt die optische Bildgebung in der biowissenschaftlichen Forschung nach wie vor eine wichtige Rolle: Sie bietet eine grössere Flexibilität in Bezug auf die Ausrüstung und ermöglicht es den Wissenschaftlern, lebende Proben unter normalen Entwicklungsbedingungen zu beobachten. Aufgrund von Kosten- und Verfügbarkeitsbeschränkungen bleibt SIM-Imaging jedoch für viele unerreichbar. Um dieses Problem zu umgehen, haben Wissenschaftlerinnen des Laboratory for Bio- and Nano-Instrumentation (LBNI) des Interfaculty Institute for Bioengineering (IBI) an der Fakultät für Ingenieurwesen (STI) der EPFL eine Möglichkeit entwickelt, ein Standard-Lichtmikroskop mit kostengünstigen, handelsüblichen Komponenten in ein hochauflösendes Gerät zu verwandeln. Das Team hat eine detaillierte Anleitung im Open-Access-Format veröffentlicht, zusammen mit einer Reihe von Video-Tutorials.
Ein kompaktes Mikroskop, das auch von Nichtfachleuten gebaut und benutzt werden kann
SIM überwindet die Beugungsbarriere, indem es die Bereiche hoher räumlicher Frequenzen rekonstruiert, die bei der Betrachtung durch ein herkömmliches optisches Mikroskop normalerweise unscharf erscheinen. Diese Methode bietet eine doppelt so hohe Auflösung und ermöglicht es den Forschenden, Details mit einem Durchmesser von nur 100 nm zu beobachten. SIM funktioniert, indem ein Standardbeleuchtungsmuster, z. B. ein Gitter, auf eine Probe projiziert wird. Bilder, die mit unterschiedlichen Beleuchtungsmustern aufgenommen wurden, werden dann von einem Algorithmus verarbeitet, um eine Rekonstruktion mit höherer Auflösung zu erzeugen, wobei der Moiré-Effekt genutzt wird.
Im Jahr 2019 benötigte die Doktorandin Mélanie Hannebelle für ihre Forschung ein Mikroskop mit genau dieser Fähigkeit. So kam sie auf die Idee, selbst eines für das LBNI zu bauen. Andere Labors hatten bereits ähnliche Geräte gebaut, aber sie waren komplex, unhandlich und schwer zu reproduzieren. Hannebelle wollte eine kompaktere Alternative entwerfen, die auch von Laien gebaut und benutzt werden kann und keine teure Wartung erfordert. «Wir besorgten uns elektronische Bauteile, wie sie auch für die Videoprojektoren in den Klassenzimmern verwendet werden», sagt Georg Fantner, Professor am LBNI. «Wir veränderten sie und ordneten sie so an, dass sie in der Lage waren, ein Lichtmuster auf eine Probe zu projizieren.»
Illustration des optischen Trenneffekts mit der openSIM. Bei der Großfeldaufnahme ist das außerfokussierte Licht im Bild sichtbar, während bei der openSIM-Aufnahme nur der direkt fokussierte Teil der Probe sichtbar ist. Probe: Fixierte Darmorganoide von Mäusen, die mit E-Cadherin markiert sind.© 2024 LBNI
Getestet und für gut befunden von Forschenden der Biowissenschaften
Das LBNI-Team wollte herausfinden, ob sein neues Mikroskop eine brauchbare und praktikable Alternative ist. Also baten sie andere Labors, es zu testen. Sie taten sich mit den Gruppen von Prof. Andrew Oates, Prof. Matthias Lutolf, Prof. John McKinney und Prof. Aleksandra Radenovic zusammen, um das Instrument an realen Forschungsproben zu testen: «Unsere Kollegen stellten uns Fragen, erzählten uns von ihren Bedürfnissen und stellten uns ihre Proben zur Verfügung. Wir wollten unbedingt herausfinden, ob und wie unser Gerät ihnen bei ihrer Forschung helfen kann», so Fantner. Das Feedback war überwältigend positiv, und das Team sicherte sich einen Zuschuss der EPFL für Open Science, so dass sie ihr Gerät im Open-Hardware-Format weitergeben konnten. Es war ein mühsamer und zeitaufwändiger Prozess, das Gerät in etwas umzuwandeln, das andere Labors nachbauen konnten, mit einer Anleitung, die detailliert genug war, damit die Kolleginnen nicht auf halbem Weg aufgeben würden. Esther Raeth, eine weitere Doktorandin des Labors, stellte detaillierte Anleitungen, Ausrüstungslisten und Videotutorials zusammen, die im Internet veröffentlicht wurden: «Die einzige Voraussetzung für unser System ist ein hochwertiges optisches Mikroskop - etwas, das die meisten Labore bereits haben», erklärt Prof. Fantner.
Das OpenSIM will nicht mit anspruchsvolleren Instrumenten konkurrieren. So ist der Modulationskontrast geringer als bei kommerziell erhältlichen Geräten, was den Auflösungsgewinn auf das 1,7-fache im Vergleich zum theoretischen 2-fachen einschränkt. Aber es erfüllt seinen Zweck: die SIM-Technologie für Labors verfügbar zu machen, die sie nur gelegentlich benötigen oder die sich einfach nicht leisten können, 500.000 CHF oder mehr für ein kommerzielles Modell auszugeben. Das LBNI-Team ist bestrebt, seine Arbeit einer breiteren Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zugänglich zu machen und eine Gemeinschaft von Nutzern aufzubauen, die ihre Erfahrungen austauschen können: «Seit der Veröffentlichung des Artikels auf BioRxiv.org haben mich mehrere Personen kontaktiert, die sich für die Idee interessieren und mehr darüber erfahren möchten, wie sie ihre eigene OpenSIM bauen können», sagt Prof. Fantner.
