Mikroperlen schärfen den Blick durchs Lichtmikroskop

Lausanne (Schweiz) - Lichtmikroskope sind für die Analyse von Zellkulturen prinzipiell gut geeignet. Doch stößt die Auflösung herkömmlicher Geräte bei der halben Wellenlänge des verwendeten Lichts an ihre Grenze. Mit aufwendigen Nahfeld-Raster-Methoden kann diese Auflösungsgrenze zwar schon überwunden werden. Doch einen einfacheren und günstigeren Weg fanden nun Physiker aus der Schweiz - er könnte vor allem für Zellbiologen von großem Interesse sein. Allein mit winzigen Glaskügelchen, über der Probe verteilt, machten sie 100 Nanometer kleine Strukturen in einem schlichten Labormikroskop deutlich sichtbar. In der Fachzeitschrift „Small“ berichten sie über eine vierfache Steigerung des Auflösungsvermögens.

„Mit unserem Ansatz lassen sich Standardmikroskope zu einem Instrument mit Superauflösung umwandeln“, sagt Hui Yang vom Labor für Mikrosystem an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, „und das ohne zusätzliche Kosten.“ Winzige Glaskügelchen aus Bariumtitanat mit einem sehr hohen Brechungsindex (1,92) reichten für die viel versprechende Verbesserung des Auflösungsvermögens aus. In ersten Versuchen verteilten Yang und Kollegen die nur 40 bis 100 Mikrometer - millionstel Meter - kleinen, durchsichtigen Glasperlen auf einem Wasser- oder Ölfilm. In der Flüssigkeit befanden sich als Untersuchungsobjekt zahlreiche 100 Nanometer kleine, fluoreszierende Teilchen aus dem Kunststoff Polystyrol.

Unter einem herkömmlichen Labormikroskop waren diese Nanoteilchen nur sehr grob erkennbar, da die Auflösungsgrenze bei 404 Nanometer lag. Doch mit den Glasperlen veränderte sich die Situation schlagartig. Verteilt über der Flüssigkeit wirkten sie wie eine Lupe und projizierten das Fluoreszenzlicht der Nanoteilchen (Wellenlänge 680 Nanometer) in eine virtuelle Bildebene etwa 30 Mikrometer oberhalb ihrer eigentlichen Position. Wurde nun das Standardmikroskop auf diese Bildebene fokussiert, waren die Nanoteilchen klar und scharf umrissen erkennbar. Gestützt von theoretischen Berechnungen ergab sich eine Verbesserung der Auflösung um das Vierfache.

In weiteren Versuchen erprobten die Wissenschaftler ihr Mikroperlen-Mikroskop an lebenden Leberzellen von Mäusen. Waren mit dem Standardmikroskop allein Zellbestandteile wie Mitochondrien und Chromosomen nicht erkennbar, konnten diese mit Hilfe der Mikroperlen scharf abgebildet werden. Sogar das Verhalten der Zellorganellen unter Einfluss des Wirkstoffs Doxycyclin ließ sich genau verfolgen.

Diese Experimente belegen, dass mit günstigen, kommerziell verfügbaren Mikroglasperlen das Auflösungsvermögen einfacher Labormikroskope signifikant gesteigert werden kann. Mit einer vierfach besseren Auflösung erreicht diese Methode zwar nicht die Werte von ausgeklügelten Nahfeldraster-Methoden. Doch genügt die Auflösung von etwa 100 Nanometer kleinen Strukturen, um die meisten Zellprozesse sichtbar machen zu können. Zudem könnten Labore ihre herkömmlichen Standardmikroskope weiter verwenden und müssten keine neuen, teuren Geräte anschaffen.