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Pathologie 28. März 2008

Weit unter 50 Nanometer

Ein Forschungsverbund aus Wirtschaft und Wissenschaft will die von Prof. Dr. Stefan Hell vom Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie erfundene „Lichtmikroskopie in ungekannter Schärfe“ in eine biomedizinische Routinemethode überführen. Die Anwendungsmöglichkeiten der ultrascharfen Fluoreszenzmikroskopie lebender Zellen sind enorm: Das bessere Verständnis der biologischen Prozesse in lebenden Zellen wird neue Wege zur Bekämpfung von Krankheiten eröffnen.

Seit seiner Erfindung im 17. Jahrhundert war das Lichtmikroskop wie kaum ein anderes Instrument Schlüssel für neue wissenschaftliche Erkenntnisse. Das gilt auch heute noch speziell für die Biologie, denn fokussiertes Licht ist das einzige Mittel, mit dem man das Innere lebender Zellen auf schonende Weise erkunden kann. Doch als Welle unterliegt fokussiertes Licht der Beugung, deren auflösungsbegrenzende Wirkung von Ernst Abbe bereits 1873 erkannt wurde. Abbe hielt diese Grenze in einer Formel fest, die besagt, dass Strukturen feiner als 200 Nanometer im Lichtmikroskop nicht mehr getrennt wahrgenommen werden können.

Wo ein Wille, da ein Weg

Abbes Gesetz galt lange Zeit als praktisch unüberwindbar. Für eine höhere Auflösung müsste man – so die bisherige Lehrmeinung – ein aufwändiges Elektronen- oder Rastersondenmikroskop heranziehen. In den vergangenen Jahren ist es Forschern am Göttinger Max-Planck-Institut gelungen, mit der Stimulated Emission Depletion-Mikroskopie (STED) einen physikalisch schlüssigen Ansatz zu entwickeln und experimentell zu verifizieren, mit dem die Auflösungsgrenze in der Fluoreszenzmikroskopie überwunden werden kann.
Die technische Umsetzung der Erkenntnisse erlaubt Auflösungen von unter 50 nm. Die dazugehörige Technologie hat Hell gemeinsam mit einem der weltweit führenden Hersteller von Lichtmikroskopen bis zur Marktreife entwickelt. Sie erlaubt allerdings bisher nur die Untersuchung fixierter, also toter Zellen.
Nun soll die Methode auf die Untersuchung lebender Zellen übertragen werden. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, haben das Göttinger Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie und Partner aus der Industrie das Verbundforschungsprojekt „Nanolive“ ins Leben gerufen. Der Verbund will in den kommenden drei Jahren ein Funktionsmuster eines Lebendzell-STED-Mikroskops realisieren. Dazu werden instrumentelle Neuerungen, aber auch neue Fluoreszenzfarbstoffe und fluoreszierende Proteine als langlebige und hoch spezifische Marker erforscht. Die Technologie soll nicht nur hoch aufgelöste Einzelbilder, sondern auch schnelle Bildsequenzen aus lebenden Zellen liefern. So könnte man dynamische Prozesse innerhalb oder zwischen einzelnen Zellen abbilden und damit neue Erkenntnisse über Signalübertragung, Zellkommunikation, Transportvorgänge und Zelldifferenzierungen gewinnen. Dies wollen die Wissenschaftler des ENI bereits im Projektverlauf am Beispiel der Signalübertragung durch Nervenzellen aufzeigen. Die hohe wissenschaftliche Relevanz lässt sich auch in wirtschaftlicher Dimension erfassen. So wird das Marktpotenzial für höchstauflösende Mikroskope auf etwa 70 Millionen US-Dollar geschätzt. Darüber hinaus gilt STED als eine Schlüsseltechnologie, die ganz neue Anwendungsfelder in der Biotechnologie und Medizin eröffnen wird.

Quelle: MPG

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