Moleküle in Zellen zerstörungsfrei analysieren

Faserlaser-Entwicklung soll künftig auch klinisch angewendet werden können.

Wenn Forschende untersuchen, wie sich Tumore entwickeln oder wie Arzneien auf verschiedene Zellarten wirken, müssen sie erfassen, wie die Moleküle im Inneren der Zellen reagieren und interagieren. Möglich ist das mit modernen Lasermikroskopen. Doch bislang müssen Moleküle in den Zellproben durch Leuchtstoffe markiert werden, um sie sichtbar zu machen. Das kann das Verhalten der Moleküle verfälschen. Forschungsgruppen der Universitäten Bielefeld und Hongkong haben gemeinsam ein Nano-Lasermikroskop entwickelt, das ohne Markierung der Moleküle auskommt.

Sie entwickelten dafür eigens kompakte Faserlaser statt der bisher üblichen Festkörperlaser. Das neue Mikroskop arbeitet rauschärmer als bisherige Entwicklungen und käme auch für die Nutzung in Operationsräumen in Frage. Die WissenschaftlerInnen stellen ihre Innovation im Journal „Light: Science and Applications“ vor, erschienen im Verlag Springer Nature.

„In der biomedizinischen Forschung ist mikroskopische Bildgebung ohne den Einsatz von Markern ein hochaktuelles Thema“, sagt der Biophysiker Professor Dr. Thomas Huser von der Arbeitsgruppe Biomolekulare Photonik der Universität Bielefeld. Sein Team hat für die Entwicklung des Faserlaser-Mikroskops mit der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Kenneth K.Y. Wong von der Universität Hongkong zusammengearbeitet.

„Für lebende Proben ist die Anfärbung mit fluoreszent leuchtenden Markern meistens ungeeignet“, sagt Huser. „Markerfreie Mikroskopie wird zum Beispiel gebraucht, um zu untersuchen, wie aus Stammzellen verschiedene neue Zelltypen entstehen. Auch lässt sich damit die Abgrenzung eines Tumors gegenüber normalem Gewebe ohne Anfärbung erkennen. Und wir können erfassen, wie medizinische Wirkstoffe mit den Molekülen in Herzmuskel-, Leber- und anderen Zellen reagieren.“

Faserlaser wurden in den vergangenen Jahren immer wieder für den Einsatz in optischen Nanomikroskopen erprobt. In ihnen wird das Licht durch Glasfasern geleitet, statt durch einen Festkörper aus Kristall oder Glas. „In Mikroskopen waren die Faserlaser bisher den Festkörperlasern aber unterlegen, weil sie weniger leistungsstark waren und die Intensität sehr verrauscht war“, erklärt Huser.

Um in ihrem Mikroskop molekülspezifische Abbildungen zu erzielen, verwenden die WissenschaftlerInnen nicht einen, sondern zwei synchronisierte optische Resonatoren (Hohlräume mit Spiegeln). Aus ihnen treffen die Laserstrahlen auf die zu untersuchende Probe. Die beiden Laser senden ihre Strahlen in kurzen Pulsen von Pikosekunden. Eine Pikosekunde ist das Billionstel einer Sekunde. „Eine Herausforderung war, die beiden Laser so zu steuern, dass die Strahlen genau gleichzeitig durch eine Linse auf die Probe treffen“, sagt Thomas Huser.

Ein großer Vorteil des neuen Faserlaser-Mikroskops sei, dass es einfacher zu bedienen ist als ein Mikroskop mit Festkörperlasern, sagt Dr. Cihang Kong, Mitarbeiterin von Huser und eine der ErstautorInnen der Studie zu dem neuen Verfahren. „Es ist weniger störungsanfällig und die Probe muss nicht so aufwendig vorbereitet werden wie bei anderen Mikroskopen, weil vorab keine Moleküle markiert werden müssen.“ Die Prototypen des Mikroskops sollen jetzt als Basis dienen, um portable Geräte zu bauen. „Diese Kompaktmikroskope könnten dann auch im Operationssaal benutzt werden, zum Beispiel um die Grenzen von Tumoren während der Operation sichtbar zu machen“, sagt Kong.

Um sicherzustellen, dass sich das Faserlaser-Mikroskop problemlos nachbauen lässt, arbeiten die Forschenden jeweils in Bielefeld und Hongkong an einem Prototyp des Geräts. Die Kooperation der beiden Forschungsgruppen wurde vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und dem Research Grants Council (RGC) in Hongkong gefördert und wird derzeit im EU-Projekt „DeLIVER“ fortgeführt. „Das hat uns ermöglicht, unser Wissen auszutauschen – wir konnten für mehrere Monate im Labor in Hongkong forschen, und KollegInnen aus Hongkong konnten uns vor Ort in Bielefeld unterstützen“, sagt Dr. Christian Pilger aus Husers Arbeitsgruppe und ebenfalls ein Erstautor der Studie.

„Die neue Technologie bringt für viele biomedizinische Anwendungen Vorteile“, sagt Kenneth Wong, Leiter der Forschungsgruppe in Hongkong. „Die frühzeitige Erkennung von Tumoren ist dabei nur ein herausragendes Beispiel.“ Der Forschungserfolg sei ein Ergebnis der langjährigen Zusammenarbeit der Universitäten Bielefeld und Hongkong, sagt Wong. „Die Erforschung von Biomedizin- und Gesundheitstechnologie verbindet unsere beiden Universitäten, insbesondere wenn es um bildgebende Verfahren geht.“

Thomas Huser sieht eine gute Chance, dass das neue Mikroskop in den kommenden Jahren in klinischen Untersuchungen eingesetzt wird. „Erste Studien sind bereits in Kooperation mit dem Evangelischen Klinikum Bielefeld angelaufen, um mit dem Gerät Gewebeproben aus der Leber zu untersuchen. Die ProjektpartnerInnen waren überrascht, welche Möglichkeiten das neue Mikroskop bietet.“