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Zellen im 3D-Video: So sieht es aus, wenn ein Embryo wächst

Betzig Lab, HHMI

Lebende Zellen unter dem Mikroskop - dafür gab es 2014 den Nobelpreis. Jetzt präsentiert Preisträger Betzig sein neues Projekt: In drei Videos zeigt er heranreifende Embryos und wandernde Krebszellen in erstaunlichem Detail.

Wie sieht es aus, wenn aus einem Zellhaufen ein vollständig ausgebildetes Lebewesen heranwächst? Und was genau geschieht in einer Zelle, wenn ein Virus in sie eindringt? Viele biologische Prozesse laufen immer noch zu schnell oder in zu kleinen Maßstäben ab, um sie mit Mikroskopen zu beobachten. Das soll sich nun ändern: Mit einem neuen Gerät können Chemie-Nobelpreisträger Eric Betzig und Kollegen Moleküle, Zellen und Embryonen in ungewöhnlichem Detail und über erstaunlich lange Zeiträume in 3D filmen. Die Technik beschreiben die Forscher in einer Studie im Fachmagazin "Science".

Das Problem bisher: Zwar können Forscher mit Elektronenmikroskopen schon lange winzige Objekte aufnehmen, allerdings sterben die Zellen dabei durch die hohe Strahlung ab. Und schonende Lichtmikroskope können winzige Vorgänge nicht auflösen. Sobald der Abstand zwischen zwei Objekten kleiner ist als die halbe Lichtwellenlänge, verschwimmen sie durch die Beugung des Lichts ineinander.

Weltweit haben Forschergruppen, etwa um den deutschen Nobelpreisträger Stefan Hell, in den vergangenen Jahren Möglichkeiten gefunden, diesen Effekt zu umgehen. Doch offenbar ist die bestmögliche Bildqualität längst nicht erreicht, wie die aktuelle Arbeit von Betzig zeigt, der an der Howard Hughes Medical Institute in Ashburn, Virginia, forscht.

Gesunde Zellen, scharfe Bilder

Um bisher verborgene Vorgänge in Zellen sichtbar zu machen, haben Betzig und Kollegen ein Mikroskop weiterentwickelt, dass sie bereits 2011 entworfen haben: Das "Bessel beam plane illumination microscopy" nimmt in Echtzeit knapp 200 Bilder in der Sekunde auf, die in 3D zeigen, was im Zellinneren geschieht. Das nun weiterentwickelte Modell schafft bis zu 1000 Bilder pro Sekunde und zeigt mehr Details und längere Sequenzen als jedes Mikroskop zuvor.

Etwa dreißig Teams haben das Gerät bereits mit 20 unterschiedlichen Proben getestet. So sind unter anderem Aufnahmen von Embryonen und Leukämiezellen entstanden: Eines der Videos zeigt etwa die Entwicklung eines Fliegenembryos. Zum Zeitpunkt der Aufnahme wachsen Hautzellen über einer Lücke im Gewebe zusammen. Die grüne Farbe zeigt, wie sich die Zellen mithilfe sogenannter Adhäsionsproteine vernetzen. Mediziner interessiert das Phänomen, weil es helfen könnte, Wunden zu heilen.

Betzig Lab, HHMI
Auf einer zweiten Aufnahme wandert eine Leukämiezelle (grün) durch Bindegewebe (orange). Die entartete Blutkrebszelle produziert das Protein Utrophin (blau/lila), dass das Zellgerüst stabilisiert. Leukämiezellen bewegen sich ähnlich wie einige Zellen des Immunsystems. Da beide Zelltypen recht schnell durch das Gewebe kriechen, konnte man sie bisher nicht genau verfolgen.

Betzig Lab, HHMI
Die dritte Aufnahme zeigt die schnellen Muskelbewegungen eines Fadenwurm-Embryos. Violett markiert sind Proteine, die vor allem im Zellkern vorkommen. Grün gekennzeichnet ist eine große Gruppe von Aminosäuren, die das Zellgerüst und damit auch die Muskeln stützen.

Betzig Lab, HHMI
Fehlgerichtete Strahlen

In Betzigs Mikroskop kommt das Licht von der Seite statt von oben. So lassen sich gezielt jene Bereiche beleuchten, die im Fokus der Aufnahme stehen. Um einzelne Zellbestandteile sichtbar zu machen, werden diese vor dem mikroskopieren mit fluoreszierenden Stoffen gekennzeichnet. Außerdem verwendet Betzig Besselstrahlen, die beispielsweise auch in Barcodescannern an Kassen vorkommen.

Mit Besselstrahlen lässt sich ein extrem dünner Lichtstrahl erzeugen, sodass nur ein kleiner Teil der Probe direkt beleuchtet wird. Auf diese Weise tastet der Strahl die Probe ab, wobei durch unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Zellbestandteile zum Leuchten (Fluoreszieren) angeregt werden. Aus Hunderten einzelnen 2D-Aufnahmen setzten die Forscher dann ein dreidimensionales Bild zusammen.

Bisher gab es allerdings ein Problem: "Die Strahlen sind nicht einfach ein schmales Bündel Licht - sie haben diese schwachen Nebenkeulen", erklärt Betzig. Als Nebenkeulen werden Strahlen bezeichnet, die nicht in die gewünschte Richtung gehen. "Wenn man mit diesen Strahlen über eine Probe fährt, bekommt man Licht außerhalb des Fokus." Das Bild erscheint dann verschwommen.

Lichtscheiben verbessern die Sicht

Um die Bildschärfe zu erhöhen, veränderten Betzig und Kollegen mithilfe eines Beugungsgitters die Wellenlänge der Lichtstrahlen und erzeugten aus den Strahlen ultradünne Lichtscheiben: hauchdünne, helle Ebenen in den Proben. "Auf diese Weise konnten wir nicht nur die Nebenkeulen loswerden, sondern auch die Auflösung erhöhen", erklärt der Forscher.

Zusätzlich spalteten die Forscher den Strahl in sieben parallele Ebenen. So konnten sie die Zeit verkürzen, die sonst nötig ist, um das Licht zwischen jeder Einzelaufnahme an die jeweils richtige Stelle zu bringen. Jeder Strahl musste dann nur noch ein Siebtel des aufzunehmendes Objekts abdecken, das Mikroskop wurde schneller, schreiben die Forscher in ihrer Studie.

"Was uns wirklich überrascht hat war, dass die Zellschäden extrem abnahmen, als wir die Lichtstrahlen aufgeteilt haben", erzählt Betzig. Die Forscher hatten drei Probleme auf einmal gelöst: Das Mikroskop wurde schärfer, schneller und die beobachteten Zellen blieben länger gesund. Biologen und Mediziner haben damit ein weiteres Instrument, um die Vorgänge im Inneren von Zellen besser zu verstehen - etwa, wie Synapsen im Gehirn entstehen oder aus befruchteten Eizellen Leben wird.

jme

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