Lasersystem verbessert Zwei-Photonen-Mikroskopie zur Erforschung verborgener Zellwelten

Mithilfe einer faserbasierten ultraschnellen Laserquelle könnte die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie deutlich einfacher werden. Der Ansatz, entwickelt von Forschenden am DESY, könnte somit neue Möglichkeiten für die Untersuchung von komplexen biologischen Prozessen eröffnen.

Forschende am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY haben gemeinsam mit internationalen Partnern ein neues Lasersystem entwickelt, das die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie deutlich vereinfachen könnte. Die Technologie basiert auf einem kompakten ultraschnellen Faserlaser. So ermöglicht sie es, mehrere Zelltypen oder -strukturen gleichzeitig sichtbar zu machen und komplexe Wechselwirkungen im Gewebe zu untersuchen. Der Ansatz könnte auch in der medizinischen Forschung Anwendung finden.

Einzelner Faserlaser statt mehrere Laser

Die Zwei-Photonen-Mikroskopie ist ein wichtiges Werkzeug der modernen biomedizinischen Forschung. Sie ermöglicht hochauflösende dreidimensionale Einblicke in Gewebe und Zellstrukturen. Besonders leistungsfähig ist die Methode, wenn mehrere Zellbestandteile gleichzeitig in unterschiedlichen Farben dargestellt werden können. In der Praxis ist die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie jedoch technisch anspruchsvoll, da sie in der Regel mehrere kostspielige Lasersysteme erfordert, die jeweils Licht unterschiedlicher Farben erzeugen.

Die Studie, geleitet von Dr. Andreu Matamoros-Angles vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE, Institut für Neuropathologie) und DESY-Forscher Marvin Edelmann, stellt einen Ansatz vor, der diese Komplexität deutlich reduziert. Statt mehrere Laser zu kombinieren, nutzt das System eine einzige faserbasierte ultraschnelle Laserquelle. Durch gezielte Simulationen und ein speziell entwickeltes optisches Design gelang es den Forschenden, das breite Spektrum der Laserpulse präzise zu formen. So können aus einer einzigen Quelle gleichzeitig mehrere klar definierte Anregungsfarben erzeugt werden, mit denen sich unterschiedliche biologische Strukturen und Dynamiken gezielt untersuchen lassen.

Neue Möglichkeiten für neuropathologische Untersuchungen

„Das Lasersystem basiert auf einem einzelnen Faserlaser, dessen Spektrum mithilfe einer speziell entwickelten photonischen Kristallfaser verbreitert wird. Der entscheidende Fortschritt besteht darin, dass wir mithilfe von Computersimulationen genau vorhersagen können, welche Farben die Faser erzeugt. Das macht das System reproduzierbar und praxistauglich“, erklärt Edelmann, Erstautor der Studie.

„Diese Technologie wird es ermöglichen, komplexe biologische Prozesse zu untersuchen, an denen mehrere Zelltypen beteiligt sind – etwa im Gehirn oder in Tumorgeweben. Langfristig könnte sie dazu beitragen, Krankheitsmechanismen besser zu verstehen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie zu eröffnen“ fügt Prof. Markus Glatzel, Direktor des Instituts für Neuropathologie des UKE, hinzu. „Solche interdisziplinären Ansätze eröffnen neue Möglichkeiten für neuropathologische Untersuchungen mit hoher zeitlicher Auflösung, die maßgeblich von Fortschritten in der Lasertechnologie abhängen.“

In dem interdisziplinären Projekt arbeiteten Laserphysikerinnen und -physiker des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) – einer gemeinsamen Einrichtung von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg – mit Forschenden des Instituts für Neuropathologie am UKE sowie der Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC) zusammen, die biologische Probenpräparation und Analysen beisteuerten.