Neues Mikroskop macht leuchtende Zellprozesse sichtbar

Biolumineszenz: Sanftes Licht für biologische Einblicke

Biolumineszenz – die durch bestimmte Enzyme in lebenden Zellen erzeugte Lichtemission – ist ein vielseitiges Werkzeug in den Lebenswissenschaften. Im Gegensatz zur Fluoreszenzbildgebung, die auf starke externe Beleuchtung angewiesen ist und dadurch Zellverhalten beeinflussen oder feine Signale überdecken kann, bietet Biolumineszenz eine schonendere Alternative für Langzeitbeobachtungen. Der Hauptnachteil besteht jedoch in der äußerst geringen Lichtintensität, die eine hochauflösende Bildgebung bislang technisch limitiert hat.

Von Teleskopen inspiriertes Design trifft auf empfindlichen Sensor

Um diese Einschränkung zu überwinden, untersuchte das Team um Dr. Jian Cui den Einsatz von Quanten-Bildsensoren (Quanta Image Sensors, QIS) – einer neuen Kameratechnologie, die sich in lichtarmen Bedingungen den bislang gängigen EMCCD-Kameras als vorteilhaft erwies. Um das volle Potenzial dieser Sensoren auszuschöpfen, entwickelten die Forschenden ein maßgeschneidertes optisches System, das sich an der Konstruktion von Teleskopen orientiert – und so entstand das QIScope, ein unkonventionelles optisches System, das Merkmale von Teleskop und Mikroskop vereint. „Um die Fähigkeiten des Sensors voll auszuschöpfen, haben wir uns vom optischen Aufbau von Teleskopen inspirieren lassen“, erklärt Ruyu Ma, Erstautorin der Studie und Doktorandin am Helmholtz Pioneer Campus. „Durch die Kombination dieses Konzepts mit der QIS-Kamera konnten wir ein System entwickeln, das zelluläre Prozesse mit einer Klarheit und Empfindlichkeit sichtbar macht, die mit bisherigen Systemen nicht erreichbar war.“

Feinste Veränderungen in lebenden Zellen sichtbar machen

Das Forschungsteam konnte demonstrieren, dass QIScope feinste Dynamiken in lebenden Zellen über längere Zeiträume hinweg erfassen kann – etwa die Bewegung von Vesikeln oder das Verhalten von Proteinen in sehr geringer Konzentration.

„Unser Mikroskop bietet höhere Empfindlichkeit, verbesserte Auflösung, ein größeres Sichtfeld und einen höheren Dynamikbereich – alles Eigenschaften, die für anspruchsvolle Live-Cell-Imaging-Experimente essenziell sind“, sagt Studienleiter Jian Cui. Darüber hinaus werden auch weitere Bildgebungsverfahren integriert, etwa Epifluoreszenz und prinzipiell auch Phasenkontrast. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, lebende Systeme mit minimaler Störung zu beobachten – eine Grundvoraussetzung für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse.“

Ein neues Werkzeug zur Erforschung des Lebens in Bewegung 

Indem es zentrale Einschränkungen herkömmlicher biolumineszenter Bildgebung überwindet, stellt QIScope der Forschung ein leistungsfähiges neues Instrument zur Verfügung – für die Untersuchung unterschiedlichster biologischer Systeme, von Einzelzellen bis hin zu Organoiden und Gewebemodellen.

Seine Fähigkeit, subtile und langfristige Veränderungen im Zellverhalten sichtbar zu machen, könnte Fortschritte in vielen Forschungsfeldern fördern – darunter Zellbiologie, Krankheitsmodelle und Wirkstoffentwicklung.