Durchbruch in der Zellforschung – Neues Mikroskop macht Biolumineszenz sichtbar

Wenn Zellen zu leuchten beginnen, verraten sie mehr über sich, als man auf den ersten Blick vermuten würde. Genau dieses schwache Licht – sogenannte Biolumineszenz – macht ein neues Mikroskop namens QIScope jetzt besser sichtbar als je zuvor. Forscher am Helmholtz-Zentrum München und der TU München haben das Gerät entwickelt.

Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren, bei denen starkes Licht auf die Zellen gerichtet werden musste, arbeitet dieses neue Mikroskop besonders schonend. Für Forscher bedeutet das: Sie können Zellprozesse über lange Zeiträume beobachten, ohne sie durch die Technik zu beeinflussen. Das könnte die Forschung an Krankheiten und Medikamenten grundlegend verändern. Die wissenschaftlichen Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal Nature Methods veröffentlicht.

Mikroskop macht Biolumineszenz sichtbar, ohne Zellen zu stören

Wer sich schon einmal gefragt hat, wie Medikamente in einer Zelle wirken oder wie sich Krankheiten langsam entwickeln, bekommt mit QIScope eine neue Antwort. Denn diese Technologie eröffnet Einblicke, die bisher technisch kaum möglich waren.

„Unser Mikroskop bietet höhere Empfindlichkeit, verbesserte Auflösung, ein größeres Sichtfeld und einen höheren Dynamikbereich – alles Eigenschaften, die für anspruchsvolle Live-Cell-Imaging-Experimente essenziell sind“, sagt Studienleiter Jian Cui vom Helmholtz Pioneer Campus.

Teleskoptechnik bringt Klarheit in die Zelle

Das Besondere an diesem Mikroskop: Die Forscher ließen sich vom Aufbau großer Teleskope inspirieren. Statt klassischer Mikroskopoptik wählten sie eine Struktur, wie sie sonst bei der Himmelsbeobachtung verwendet wird.

„Um die Fähigkeiten des Sensors voll auszuschöpfen, haben wir uns vom optischen Aufbau von Teleskopen inspirieren lassen“, erklärt Ruyu Ma, Erstautorin der Studie.

Durch die Kombination dieses Konzepts mit der QIS-Kamera konnten wir ein System entwickeln, das zelluläre Prozesse mit einer Klarheit und Empfindlichkeit sichtbar macht, die mit bisherigen Systemen nicht erreichbar war.

Ruyu Ma, Doktorandin am Helmholtz-Pionier-Campus.

Kaum Licht – aber klare Bilder

In der Praxis bedeutet das: Selbst leuchtende Proteine in winziger Konzentration oder die Bewegung einzelner Vesikel lassen sich in Echtzeit beobachten. Solche Details gelten als Schlüssel für das Verständnis vieler Krankheiten – etwa bei Krebs oder neurodegenerativen Störungen.

Der Clou liegt in der Kamera: Sie basiert auf sogenannten Quanta Image Sensoren (QIS), die selbst einzelne Lichtteilchen erkennen können. Damit werden auch die schwächsten Lichtblitze zuverlässig registriert und das ohne störende Hintergrundsignale.

Nicht nur Biolumineszenz – Mikroskop bietet vielseitigen Einsatz

QIScope arbeitet nicht nur mit Biolumineszenz. Es lässt sich auch mit anderen Bildtechniken kombinieren – zum Beispiel mit Epifluoreszenz oder Phasenkontrast. Dadurch können Forscher verschiedene Aspekte einer Zelle gleichzeitig sichtbar machen.

Das Mikroskop funktioniert bei einzelnen Zellen ebenso wie bei komplexeren Modellen, etwa bei sogenannten Organoiden oder Gewebeschnitten. Genau das macht es für viele Bereiche interessant: für Krebsforschung, Immunologie, Infektionsbiologie – oder auch für die Entwicklung neuer Wirkstoffe.

Neue Chancen für die Medikamentenentwicklung

In der Wirkstoffforschung ist es entscheidend, die Effekte eines Medikaments genau und frühzeitig zu erkennen. QIScope bietet hier einen klaren Vorteil: Es ermöglicht die Beobachtung von Veränderungen in der Zelle, noch bevor sie von außen sichtbar werden.

Wer neue Medikamente testet, kann so viel schneller feststellen, ob ein Wirkstoff wirkt – oder ob er Nebenwirkungen auslöst. Gerade bei komplexen Krankheiten wie Alzheimer oder Autoimmunerkrankungen kann das entscheidende Fortschritte bringen.

Kurz zusammengefasst:

• Das Mikroskop QIScope wurde von Helmholtz-Zentrum München und der Technischen Universität München entwickelt, um selbst schwächste Biolumineszenz-Signale in lebenden Zellen sichtbar zu machen – schonend, hochauflösend und über lange Zeiträume hinweg.
• Die Technik kombiniert Teleskopoptik mit hochsensiblen Quanta Image Sensoren und ermöglicht so völlig neue Einblicke in Zellprozesse, Medikamentenwirkung und Krankheitsverläufe.
• QIScope eignet sich für viele Forschungsbereiche – von der Krebsmedizin bis zur Wirkstoffentwicklung – und liefert wertvolle Bilder selbst in komplexen Zellmodellen wie Geweben oder Organoiden.

Übrigens: Forscher haben jetzt eine Methode entwickelt, mit der sie einzelne Zellen gezielt mit Licht steuern – ganz ohne Skalpell oder Medikamente. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Stephan Sprinz via Wikimedia unter CC BY-SA 4.0