Mikrokopie jenseits der Auflösungsgrenze

Das polnisch-israelische Team unter der Leitung von Dr. Radek Łapkiewicz von der Fakultät für Physik der Universität Warschau stellte in der Zeitschrift "Optica" eine neue, revolutionäre Methode der Mikroskopie vor, die theoretisch keine Auflösungsgrenze hat.

Die Forschung wurde von der Stiftung für die polnische Wissenschaft (FNP) in einer Mitteilung an PAP angekündigt. Dr. Łapkiewicz ist ein Preisträger des FIRST TEAM Programms.

Die Entwicklung der Biowissenschaften und der Medizin erfordert die Beobachtung immer kleinerer Objekte - zum Beispiel die Struktur und Interaktion von Proteinen in Zellen. Die beobachteten Proben sollten sich nicht von den natürlich im Körper vorkommenden Strukturen unterscheiden - daher dürfen die Verfahren und Reagenzien nicht zu aggressiv eingesetzt werden.
Das klassische optische Mikroskop hat eine unzureichende Auflösung. Aufgrund der Wellenlänge des Lichts erlaubt ein solches Mikroskop nicht die Abbildung von Strukturen, die kleiner sind als etwa 250 Nanometer (die Hälfte der Wellenlänge von grünem Licht). Näher beieinander liegende Objekte sind nicht mehr unterscheidbar. Dies ist die so genannte diffraktive Begrenzung.
Das Elektronenmikroskop hat eine um mehrere Größenordnungen höhere Auflösung als ein Lichtmikroskop, aber es erlaubt uns, nur tote Objekte zu beobachten, die in ein Vakuum gelegt und mit einem Elektronenstrahl beschossen werden. Es geht nicht darum, lebende Organismen oder in ihnen natürlich vorkommende Prozesse zu untersuchen.

Bild Quelle: Optica Vol. 7, Issue 10, pp. 1308-1316 (2020) •https://doi.org/10.1364/OPTICA.399600

Die Lösung ist ein hochauflösendes Fluoreszenzmikroskop (die Forschung zur Entwicklung dieses Imaging-Bereichs wurde 2008 und 2014 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Wie in der Mitteilung in Erinnerung gerufen wird, gibt es bereits mehrere Fluoreszenzmikroskopie-Techniken. PALM-, STORM- oder STED-Methoden zeichnen sich durch eine hohe Auflösung aus und erlauben die Unterscheidung von Objekten, die nur ein Dutzend Nanometer voneinander entfernt sind. Allerdings sind eine lange Expositionszeit und eine komplizierte Vorbereitung der biologischen Präparate erforderlich. Die SIM- oder ISM-Mikroskopie hingegen sind einfach zu handhabende Methoden, aber mit deutlich eingeschränkter Auflösung - sie erlauben es, Strukturen zu sehen, die nur doppelt so klein sind wie die Beugungsgrenze. Dr. Radek Łapkiewicz vom Labor für Quantenoptik an der Fakultät für Physik der Universität Warschau und Aleksandra Środa und Adrian Makowski - Studenten der Warschauer Universität für Lebenswissenschaften - haben zusammen mit Dan Orons Team vom Weizmann-Institut in Israel die bestehende ISM-Methode verbessert und eine neue Technik der superauflösenden optischen Fluktuationsbild-Rastermikroskopie (SOFISM) entwickelt. Es gelang ihnen zu zeigen, dass die Beugungsgrenze viermal überwunden wurde, berichtete die FNP.

"SOFISM bietet einen Kompromiss zwischen Benutzerfreundlichkeit und Auflösung. Wir glauben, dass unsere Methode die Nische zwischen komplexen, schwierig anzuwendenden Techniken mit sehr hoher Auflösung und niedrig auflösenden, aber einfach anzuwendenden Methoden ergänzen kann. SOFISM hat keine theoretische Auflösungsgrenze, aber in unserer Arbeit haben wir Ergebnisse präsentiert, bei denen wir die Beugungsgrenze viermal überwunden haben. In dem Artikel haben wir auch gezeigt, dass die SOFISM-Methode ein hohes Potenzial für die Abbildung dreidimensionaler biologischer Strukturen hat", sagt Dr. Radek Łapkiewicz, der in der Mitteilung zitiert wird.

Die von Warschauer Physikern entwickelte Methode ist technisch sehr zugänglich. Es genügt - wie wir im Kommuniqué lesen - das in den Labors gebräuchliche konfokale Mikroskop leicht zu modifizieren (Ersatz des Photomultipliers durch SPAD-Array-Detektor), die Messzeit leicht zu verlängern und das Datenbehandlungsverfahren zu ändern.

"Bis vor kurzem waren SPAD-Array-Detektoren teuer und ihre Leistung reichte für Anwendungen wie unsere nicht aus. Diese Situation hat sich in letzter Zeit geändert. Seit dem letzten Jahr sind neue SPAD-Detektoren erhältlich, bei denen sowohl die Technologie- als auch die Preisbarrieren beseitigt wurden. Daher glauben wir, dass fluoreszenzmikroskopische Techniken wie SOFISM innerhalb weniger Jahre zu gängigen Techniken für mikroskopische Untersuchungen werden können". - betont Dr. Łapkiewicz.

Die Publikation ist hier zu finden.