Neues Mikroskop Ermöglicht Echtzeit-3D-Filme Zur Entwicklung Von Embryonen [Diashow]
Neues Mikroskop Ermöglicht Echtzeit-3D-Filme Zur Entwicklung Von Embryonen [Diashow]

Video: Neues Mikroskop Ermöglicht Echtzeit-3D-Filme Zur Entwicklung Von Embryonen [Diashow]

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Anonim

Ein europäisches Labor kombiniert "Lichtblatt" -Mikroskopie mit einem Beleuchtungsprozess, der die durch gestreute Photonen verursachte Statik subtrahiert, um einen Weg zu finden, das Innenleben von Zellen über einen Zeitraum von Tagen klar zu beobachten.

Mit einem revolutionären neuen Mikroskop können Wissenschaftler nun in Embryonen blicken und in einem der kleinsten 3D-Filme der Welt zusehen, wie sich Gehirn, Augen und andere Organe bilden. Ein Team des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg beobachtete die Entwicklung von Zebrafisch- und Fruchtfliegenembryonen im Rahmen von 58 Stunden und zeichnete die Position jeder Zelle auf, während sie um den Embryo tanzte. Dieses Experiment wäre noch vor zwei Jahren unmöglich gewesen, bevor eine Reihe von Innovationen die Mikroskopie in den nächsten Jahren vorangebracht hätte.

Wenn es darum geht, das Innenleben von Zellen zu beobachten, ist die Fluoreszenzmikroskopie unübertroffen. Bei dieser Technik bringen Wissenschaftler fluoreszierende Markierungen an zellulären Proteinen an und lassen sie durch Leuchten eines Lasers auf die Zellen aufleuchten.

Wenn Zellen jedoch unter ein Standard-Fluoreszenzmikroskop gestellt werden, werden sie im Wesentlichen zum Tode verurteilt. Durch den leistungsstarken Laser des Zielfernrohrs beschädigt, sterben viele vor Ablauf einiger Stunden, sodass es schwierig ist, einen längeren Prozess zu beobachten. Darüber hinaus verhalten sich Zellen unter Stress oft anders als normale Zellen, ein großes Hindernis für Wissenschaftler, die versuchen, Verbindungen zwischen ihren Experimenten und der natürlichen Welt herzustellen.

Das Team von EMBL unter der Leitung von Ernst Stelzer ist Teil der wachsenden Bemühungen, Zellen, Gewebe und sogar kleine mehrzellige Organismen unter Bedingungen zu untersuchen, die die Natur genauer nachahmen und längere Betrachtungszeiten und weniger verfälschte Ergebnisse ermöglichen. Ihre als Lichtblattmikroskopie bekannte Technik hat zu faszinierenden Durchbrüchen geführt, die es ihnen ermöglichen, lebende Proben länger und klarer als je zuvor zu sehen.

Die Forscher begannen damit, die Mikroskopie buchstäblich auf die Seite zu stellen. Bei der herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie wird die gesamte Probe normalerweise vom Laser von oben beleuchtet. Ein kameragleicher Detektor fokussiert auf aufeinanderfolgende Ebenen durch die Probe und nimmt Bilder von oben nach unten auf, die zu einem 3D-Bild gestapelt werden können. Während dieses Prozesses sprengt die volle Kraft des Lasers sogar Zellen, deren Licht für den Detektor nicht im Fokus steht. Was das EMBL-Team erkannte, war, dass wenn sie den Laser um 90 Grad schwenkten, so dass er von der Seite statt von oben durch die Probe schien, sie nur die einzelne Schicht beleuchten konnten, auf die die Kamera fokussierte. Keine der anderen Zellen wurde getroffen.

Plötzlich konnten Wissenschaftler Filme machen, die tagelang dauerten. Die Zellen unter ihren Mikroskopen, die nur mit einem Fünftausendstel der in der traditionellen Fluoreszenzmikroskopie verbrauchten Energie getroffen wurden, teilten sich weiter. Das EMBL-Team hat einen 24-Stunden-Rekordfilm über einen sich entwickelnden Zebrafischembryo aufgenommen. Als eines der Mitglieder die Daten auf einer Konferenz präsentierte, wurde er wie ein Rockstar empfangen.

Dies war jedoch nur der Anfang - das neue Setup ermöglichte es Stelzers Team, eine viel schnellere Kamera zu verwenden, die etwa 60 Millionen Pixel pro Sekunde aufzeichnet. Und die Vorteile vervielfachten sich: Weil die Kamera so empfindlich war, konnte sie in jedem Bild mehr Licht absorbieren und noch mehr Daten liefern.

Für Wissenschaftler war es, als würde man von einem abgehackten, zweiminütigen YouTube-Clip zu einem Spielfilm auf einem Flachbildfernseher wechseln.

Der neueste Durchbruch, der am 30. Juli in Nature Methods veröffentlicht wurde, verbindet diesen Fernseher mit HD-Kabel, wenn Sie so wollen. (Scientfic American ist Teil der Nature Publishing Group.) Viele biologische Proben, wie der Fruchtfliegenembryo, sind so undurchsichtig, dass sie eine große Anzahl von Photonen streuen und Bilder mit statischen Aufladungen füllen. Mit einer Technik namens strukturierte Beleuchtung ist es dem EMBL-Team nun gelungen, diese Interferenz zu subtrahieren, wodurch die Lichtblattmikroskopie noch leistungsfähiger wird.

Philipp Keller, der Hauptautor des Papiers und seit Abschluss der Studie am Howard Hughes Medical Institute tätig ist, vergleicht den Prozess mit der Rekonstruktion einer Landschaft, die durch einen Schneesturm gesehen wird. "Alle diese Schneeflocken passieren Ihr Sichtfeld, sodass Teile der Landschaft von ihnen verdeckt werden. Wenn Sie jedoch mehrere Bilder dieser Landschaft aufnehmen, sind die Schneeflocken weitergegangen und Sie können sehen, was sich dahinter befindet. Durch Aufzeichnen genug Bilder, können Sie sie zu einer vollständigen Rekonstruktion der Landschaft kombinieren."

Für Biologen, die sich mit Entwicklungslichtmikroskopie befassen, insbesondere mit strukturierter Beleuchtung, ist dies ein Glücksfall.

Kees Weijer von der University of Dundee in Schottland, der die Migration von Zellen in Hühnerembryonen und Schleimpilzen untersucht, hat auf ein Lichtblattmikroskop gewartet, seit die EMBL-Gruppe ihre Fortschritte erstmals veröffentlicht hat. Nachdem er jahrelang mit anderen Techniken gearbeitet hat, ist er begeistert, endlich ein Zielfernrohr von Stelzers Labor für ihn bauen zu lassen.

"Die Lichtblattmikroskopie ist eine große Verbesserung", sagt er. "Die Bildqualität ist einfach viel besser."

"Es ist wirklich bahnbrechend", sagt Michael Davidson von der Florida State University, dessen Programm die Mikroskopie-Websites Molecular Expressions, Nikons MicroscopyU und andere entwickelt hat. Aber die Hinzufügung einer strukturierten Beleuchtung, denkt Davidson, wird der eigentliche Wegbereiter sein. "Das Ding wird in den nächsten drei oder vier Jahren wie eine Rakete abheben. Es ist der erste Schritt auf einem langen Weg."

Während sie auf die Markteinführung einer kommerziellen Version warten - die Technologie wurde an das in Deutschland ansässige Optikunternehmen Carl Zeiss lizenziert - müssen Biologen jedes Lichtblattmikroskop selbst bauen. Auf einer Konferenz in Dublin am 2. und 3. September treffen sich Forscher, die an der Technik interessiert sind, um Tipps auszutauschen, Ideen auszutauschen und die Zukunft zu diskutieren.

Keller betont, dass die Lichtblattmikroskopie trotz der Erfolge der EMBL-Gruppe weit mehr als nur zur Abbildung von Embryonen eingesetzt werden kann. Mit längeren Beobachtungszeiten, schnelleren Bildern und klareren Bildern seien große Fortschritte in vielen Bereichen der Biologie möglich. "Es ist keine Technik, die für einen bestimmten Zweck entwickelt wurde. Sie kann weit darüber hinausgehen", sagt er. "In der Diskussion ging es darum, wie die Mikroskopie verbessert werden kann, und das war das Ergebnis."

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