Montag, 18.05.2020

Forschung

Ultraschnelles Mikroskop für die biomedizinische Forschung

Neue Einblicke in Vorgänge auf zellulärer Ebene: SLIDE ermöglicht 2000 hoch auflösende Bilder pro Sekunde

Die optische Mikroskopie ist aus dem medizinischen Alltag nicht mehr wegzudenken. Ob in der Diagnostik, der medizinischen Forschung oder der Medikamentenentwicklung, die in der Mikroskopie erreichbare hohe Vergrößerung ermöglicht Einblicke in Vorgänge auf zellulärer Ebene und verschafft so einen intuitiven und direkten Zugang zu Ursache und Wirkung bei Krankheiten. Zusätzlich zur hohen räumlichen Auflösung ist für die Erforschung von biologischen Vorgängen auch die Zeitauflösung ein wichtiger Aspekt, wodurch es möglich wird, auch schnelle biodynamische Vorgänge wie Zellbewegung im Blutfluss oder Nervreizweiterleitung mikroskopisch zu beobachten und physiologisch zu interpretieren.

In einer neuen Veröffentlichung im renommierten Journal Nature Communications berichtet Professor Sebastian ‚Nino‘ Karpf vom Institut für Biomedizinische Optik (BMO) der Universität zu Lübeck nun von einem neuen, ultraschnellen Mikroskop [1]. Es basiert auf der sogenannten Zweiphotonenmikroskopie, welche eine besondere Form der Fluoreszenzmikroskopie darstellt. Es ähnelt der konfokalen Mikroskopie, da es hiermit möglich ist, Aufnahmen von Gewebe in 3D zu machen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg von der Forschung in der Petrischale hin zur Anwendung im Körper.

Das von Prof. Sebastian Karpf federführend entwickelte System basiert auf einem neuentwickelten Laser [2], einem neuartigen und extrem schnellen Scanverfahren [3] sowie einer hocheffizienten und schnellen Lichtdetektion, welche auch Fluoreszenzlebenszeitaufnahmen [4] ermöglicht. Das System trägt den Namen SLIDE, ein Akronym für spectro-temporal laser imaging by diffractive excitation (SLIDE). Damit können nun über 2000 Bilder pro Sekunde aufgenommen werden, also eine um Größenordnungen schnellere Aufnahmegeschwindigkeit als es bisher üblich war.

Diese hohen Geschwindigkeiten sollen nun in der Arbeitsgruppe und in internationalen Kollaborationen eingesetzt werden für die Detektion von seltenen Zellen in der Durchflusszytometrie, der bildgebenden Analyse von Zellen in der Flüssigbiopsie, der Reizweiterleitung im Gehirn mittels neuronaler Bildgebung zur Erforschung der Gehirnfunktion sowie der Untersuchung von Immunzellen in lebenden Organismen in situ.

Sebastian ‚Nino‘ Karpf ist seit April 2018 Juniorprofessor für translationale biomedizinische Photonik am Institut für Biomedizinische Optik (BMO) der Universität zu Lübeck. Die Juniorprofessur entstand im Rahmen des Schleswig-Holstein Exzellenzchairprogramms (SH-Chair Prof. Robert Huber) und des Exzellenzclusters „Precision Medicine for Inflammation (PMI)“ (DFG - EXC 2167). In diesen Programmen werden neuartige optische Verfahren erforscht und folgend in der biomedizinischen Entzündungsforschung angewendet.

Originalpublikation:

Karpf, S., Riche, C.T., Di Carlo, D. et al. Spectro-temporal encoded multiphoton microscopy and fluorescence lifetime imaging at kilohertz frame-rates. Nat Commun 11, 2062 (2020). doi.org/10.1038/s41467-020-15618-w

Der Volltext der Publikation kann hier eingesehen werden: https://www.nature.com/articles/s41467-020-15618-w

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1.    S. Karpf, C. T. Riche, D. Di Carlo, A. Goel, W. A. Zeiger, A. Suresh, C. Portera-Cailliau, and B. Jalali, "Spectro-temporal encoded multiphoton microscopy and fluorescence lifetime imaging at kilohertz frame-rates," Nature Communications, 11(1), (2020).
2.    S. Karpf, and B. Jalali, "Fourier-domain mode-locked laser combined with a master-oscillator power amplifier architecture," Opt. Lett., 44(8), 1952 (2019).
3.    Y. Jiang, S. Karpf, and B. Jalali, "Time-stretch LiDAR as a spectrally scanned time-of-flight ranging camera," Nature Photonics, 14(1), (2020).
4.    M. Eibl, S. Karpf, D. Weng, H. Hakert, T. Pfeiffer, J. P. Kolb, and R. Huber, "Single pulse two photon fluorescence lifetime imaging (SP-FLIM) with MHz pixel rate," Biomed. Opt. Express, 8(7), 3132 (2017).