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14.02.2017

Höchstauflösende Lichtmikroskopie revolutioniert

Höchstauflösende Lichtmikroskopie revolutioniert

Dreidimensional dicht angeordnete subzelluläre Strukturen profitieren
Eine Krebszelle unter dem Mikroskop im Vergleich (Abbildung: APH, kit.edu)
Eine Krebszelle unter dem Mikroskop im Vergleich (Abbildung: APH, kit.edu)

Karlsruhe (pte033/31.01.2017/13:30) - Forscher am Karlsruher Institut für Technologie http://kit.edu haben die Fluoreszenzmikroskopie erweitert. Die STEDD-Nanoskopie ("Stimulated Emission Double Depletion") liefert nicht nur höchstaufgelöste Bilder, sondern unterdrückt auch den Untergrund. Daraus ergibt sich eine deutlich bessere Bildqualität, von der besonders die Analyse dreidimensional dicht angeordneter subzellulärer Strukturen profitiert.

STEDD statt STED

Die KIT-Experten haben die bereits bestehende STED-Nanoskopie so erweitert, dass sich der in den Bildern stets vorhandene Untergrund durch eine modifizierte Bildaufnahme effizient unterdrücken lässt. Die Bildqualität ist dadurch deutlich besser, was vor allem für die quantitative Datenanalyse von dreidimensional dicht angeordneten Molekülen und Zellstrukturen von großem Vorteil ist.

Bei der Fluoreszenzmikroskopie wird die zu untersuchende Probe mit einem stark fokussierten Lichtstrahl abgerastert, um Farbstoffmoleküle zur Aussendung von Fluoreszenzlicht anzuregen. Die Lichtquanten werden Pixel für Pixel registriert und so das Bild aufgebaut. Bei der STED-Nanoskopie wird der zum Abrastern verwendete Anregungsstrahl von einem weiteren Strahl überlappt, dem sogenannten STED-Strahl. Dessen Lichtintensität liegt ringförmig um den Anregungsstrahl herum; im Zentrum ist sie null. Außerdem ist der STED-Strahl zu größeren Wellenlängen hin verschoben.

Der STED-Strahl nutzt einen von Albert Einstein vor 100 Jahren erstmals beschriebenen physikalischen Effekt, die stimulierte Emission, um die Fluoreszenzanregung überall abzuschalten - außer im Zentrum, wo der STED-Strahl keine Intensität besitzt. Dadurch wird die Anregung eingeschnürt, und es entsteht ein schärferer Lichtfleck für die Rasterung. Allerdings gibt es in dem hochaufgelösten STED-Bild stets einen niedrig aufgelösten Untergrund, der zum einen durch unvollständiges Abschalten, zum anderen durch Fluoreszenzanregung durch den STED-Strahl selbst verursacht wird.

Zwei Bilder aufgenommen

Die Forschergruppe um Professor Gerd Ulrich Nienhaus hat die STED-Methode um einen zweiten STED-Strahl erweitert. Dieser STED2-Strahl folgt dem STED-Strahl zeitverzögert und löscht das im Zentrum vorhandene Nutzsignal aus, sodass nur noch die Untergrundanregung übrig bleibt. "Beim STEDD-Verfahren werden zwei Bilder aufgenommen", erklärt Nienhaus.

Zum ersten und zum zweiten Bild tragen jeweils Photonen bei, die vor beziehungsweise nach dem Eintreffen des STED2-Strahls registriert werden. Durch Differenzbildung werde das zweite Bild, das nur Untergrund enthält, vom ersten Bild, das Nutzsignal plus Untergrund enthält, Pixel für Pixel abgezogen - es entsteht ein höchstaufgelöstes, untergrundfreies Bild.