Mikroskopie: Bessere Auflösung durch aufgequollene Proben

Cambridge (USA) - Der deutsche Physiker Stefan Hell erhielt 2014 den Chemie-Nobelpreis für eine Mikroskopie-Methode, mit denen lebende Zellen bis auf auf wenige Dutzend Nanometer genau beobachten werden können - jenseits des Auflösungsvermögens herkömmlicher Lichtmikroskope. Alternativ zu dieser sogenannten STED-Mikroskopie gehen nun amerikanische Forscher einen völlig anderen Weg: Sie lassen ihre Proben bewusst aufquellen, um sogar dreidimensionale Strukturen mit einfachen Lichtmikroskopen genauer untersuchen zu können. Über ihre ersten Versuche mit Hirngewebe und Zellkulturen berichten sie in der Fachzeitschrift „Science“.

„Nun ist es möglich, mit Licht 3D-Objekte bis auf die Nanoskala genau zu beobachten“, sagt Edward S. Boyden vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (MIT). Mit seinen Kollegen Fei Chen und Paul Tillberg tränkte der Forscher hauchdünne Proben eines Maushirns mit Natriumacrylat und Acrylamid. Diese Moleküle vernetzten sich nach Zugabe eines Polymerisations-Triggers miteinander und ließen die gesamte Probe etwa auf das 4,5-Fache anschwellen. Zusätzliche Fluoreszenz-Marker wurden für eine Beobachtung durch ein herkömmliches Lichtmikroskop zugefügt.

Mit dieser Methode konnten die Forscher Strukturen erkennen, die unter Lichtmikroskopen allein mit einer Auflösung von bis zu 200 Nanometern nicht sichtbar wären. Übertragen auf die ursprüngliche Größe des Hirnschnitts vor dem Aufquellen erreichten Boyden und Kollegen eine Auflösung von bis zu 70 Nanometern. Vergleiche mit Aufnahmen anderer hochauflösender Mikroskope zeigten, dass die Bildqualität dieser „Expansions-Mikroskopie“ ausgesprochen hoch war. Vorteilhaft zeigte sich die Untersuchung von aufgequollenen, dickeren Proben, da in diesen wegen der hohen Durchsichtigkeit sogar dreidimensionale Strukturen mit hoher Auflösung erkennbar wurden.

Wegen des Aufquellens mit wasserabsorbierenden Polymeren ist diese Methode kaum für lebende Zellen geeignet. Doch für Gewebeproben könnte sie schneller als mit anderen Mikroskopen sehr hoch aufgelöste Bilder liefern, um etwa bei krankhaften Hirnveränderungen schnellere Diagnosen zu ermöglichen.

In die Zukunft geschaut, ist es nicht ausgeschlossen, diese Expansions-Methode mit anderen hochauflösenden Mikroskopen zu kombinieren. Rein theoretisch wären dann lichtmikroskopische Aufnahmen bis hin zu wenigen Nanometern vorstellbar.