Zellverbände in 3D unter die Lupe nehmen

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Herzmuskelzellen durch das Okular der neuen 3D-Mikroskopieplattform gesehen. Quelle: Universität des Saarlandes

01.12.2009  - 

Auch wenn sie unter dem Mikroskop ein wenig so aussehen wie Südsee-Eilande aus der Vogelperspektive, ist eine Zelle alles andere als eine Insel. Die Billionen von Zellen im Körper sind miteinander vernetzt und agieren immer auch zusammenn mit ihrer Umgebung. Im Rahmen des BMBF-Forschungsschwerpunkts Biophotonik haben Forscher verschiedener Institutionen nun eine Mikroskop-Technik entwickelt, die es erlaubt, die Zellen und die darin ablaufenden Vorgänge im natürlichen Umfeld zu studieren. Die Methode, die mehrere Mikroskopiertechniken kombiniert, ist zudem in der Lage, eine hohe Zahl an Proben in kurzer Zeit zu untersuchen. Der "3D-Reader" hat sich schon bei Untersuchungen von Herzrhythmusstörungen und bei der Beobachtung von Alzheimer-geschädigten Nervenzellen bewährt.

Ein besseres Verständnis der Ursachen und Mechanismen von Erkrankungen gehört zu den vordringlichsten Zielen der biomedizinischen Forschung - gilt es doch als Schlüssel zur Entwicklung neuer, zielgerichteter Therapien. Um das funktionelle Zusammenspiel der beteiligten Moleküle und Strukturen in ihrer natürlichen Umgebung, nämlich in lebenden Zellen und im Gewebe, zu beobachten, gibt es schon seit mehren Jahrhunderten eine geeignete Technologie - das Lichtmikroskop. Doch auch die modernsten bisher verfügbaren Mikroskope sind nur für Einzeluntersuchungen ausgelegt. Immer mehr Forschungsarbeiten stützen sich aber auf die Analyse einer großen Zahl an Zellen und Zellkulturen. Im Forschungsverbund "3D-Tissue Screen" machen sich die Wissenschaftler von sechs Forschungseinrichtungen und fünf Industriepartnern seit mehreren Jahren gemeinsam Gedanken, wie eine geeignete Mikroskopie-Technik aussehen könnte.

Kombination aus Laserscanning und digitale Holografie

Jetzt haben die Verbundpartner rund um Rainer Uhl vom BioImaging Zentrum der Ludwig-Maximilians-Universität München eine neue 3D-Mikroskopier-Plattform vorgestellt. Die neu entwickelte 3D-Reader-Plattform kombiniert verschiedenste mikroskopische Verfahren vom Laserscanning über Fluoreszenzlebensdauer-Messungen bis hin zur digitalen Holografie, einem anfärbungsfreien quantitativen Phasenkontrastverfahren. In speziellen Zellkammern lassen sich Zellen in ihrer natürlichen, dreidimensionalen Umgebung halten, beeinflussen - etwa durch elektrische Stimulation - und mikroskopisch genau studieren. Zudem ist das Konzept auf hohen Probendurchsatz ausgelegt.

Die ersten Bewährungsproben hat das neue System bereits bestanden. An der Universität des Saarlandes wurde die 3D-Reader-Plattform für die Untersuchung von Herzmuskelzellen optimiert und eingesetzt. Das Institut für Molekulare Zellbiologie an der Universität des Saarlandes verfügt über ein 3D-Zellmodell menschlicher Herzmuskelzellen und will damit die zellulären Ursachen und Mechanismen von Herzrhythmusstörungen weiter aufklären sowie Ansätze für neue pharmakologische Therapien entwickeln. Die dreidimensionale Bewegung von roten Blutkörperchen konnten Forscher am Centrum für Biomedizinische Optik und Photonik der Universität Münster mithilfe des neuen Mikroskops und einem Modul für die Digitale Holografie verfolgen. Das Verfahren ist besonders schonend, weil es ohne den Zusatz von Fluoreszenzmarkern auskommt. Es soll unter anderem in der Krebsforschung weitere Erkenntnisse über die Migration von Krebszellen (sog. Chemotaxis) liefern.

Mechanismen der Alzheimer-Erkrankung genauer studieren

Am Zentrum für Neuropathologie und Prionforschung (ZNP) der LMU München entstand ein weiterer Versuchsaufbau, ein Zweiphotonen-Intravital-Mikroskop, das die Strukturen lebender Nervenzellen abbilden kann. Die Forscher konnten damit Mechanismen der Alzheimer-Erkrankung genauer als zuvor studieren. Sie vermuten nun, dass sich Alzheimer-Plaques, die krankheitstypischen Ablagerungen im Gehirn, langsamer bilden als bisher vermutet. Außerdem haben die Forscher ihre Technologie als Endoskop in der Gewebediagnostik sowie bei der Untersuchung von Pflanzenwurzelzellen für eine umweltfreundliche Schädlingsbekämpfung getestet.

Nach dem voraussichtlichen Projektende im April 2010 will die TILL Photonics GmbH aus Gräfelfing den 3D-Reader bis zur Marktreife weiterentwickeln. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat den Projektverbund im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Biophotonik mit etwa 3,3 Millionen Euro unterstützt, die beteiligten Firmen investierten weitere 2,2 Millionen Euro. Neben der TILL Photonics GmbH, die als Ausgründung von Rainer Uhl mittlerweile ein Teil der TOPTICA Photonics AG aus Gräfelfing ist, gehören die arivis - Multiple Image Tools GmbH aus Rostock, die ibidi GmbH aus München und die PicoQuant GmbH aus Berlin zu den Projektpartnern von wirtschaftlicher Seite. Akademische Partner sind das Centrum für Biomedizinische Optik und Photonik (CeBOP) an der Universität Münster, das BioImaging Zentrum und das Zentrum für Neuropathologie und Prionforschung der LMU München, das LIFE-Zentrum des Universitätsklinikums München, das Institut für Molekulare Zellbiologie der Universität des Saarlandes sowie das Zentrum für Angewandte Biowissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.