Ein Durchbruch in der schnellen tomographischen Bildgebung bringt die traditionelle Mikroskopie auf eine neue Stufe
Die 3D-Bildgebung ist insbesondere im Bereich der Forschung zu einem notwendigen Instrument geworden, da biologische In-vivo-Prozesse dynamisch abgebildet werden können. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, wurden im Bereich der Biologie und in präklinischen Laboren tomographische Innovationen wie z. B Fluorescence Molecular Tomography (FMT, Fluoreszenzmolekulartomographie ) für die Bildgebung in stark streuenden Medien wie auch Optical Projection Tomography (OPT, optische Projektionstomographie) und Selective Plane Illumination Microscopy (SPIM, Lichtscheibenmikroskopie) für die Bildgebung in gering streuenden Proben herangezogen. Doch ungeachtet der Wirksamkeit dieser Instrumente, mangelt es ihnen an Durchsatz oder an der Möglichkeit zur gleichzeitigen Verarbeitung von Proben. Das Projekt HIGH THROUGHPUT TOMO wurde durch Fördermittel des Marie Curie Career Integration Grant (CIG) unterstützt, um diese Engstelle zu adressieren, indem die Schaffung einer Reihe von Instrumenten ermöglicht werden sollte, die eine sehr schnelle optische Bildgebung und Datenanalyse erreichen. Abgesehen von der Entwicklung einer Reihe von Lösungen war das von Prof. Manuel Desco koordinierte und von der Universidad Carlos III de Madrid veranstaltete Projekt vor allem auf die Entwicklung einer schnellen Tomographie im Bereich der Mikroskopie ausgerichtet. Eine 3D-Abbildung des Lebens im Zeitraffer erreichen – während der Entfaltung Bei der herkömmlichen Lichtscheibenbildgebung, die auf dem Scanning-Ansatz basiert, werden zur Bewegung von Proben Motoren verwendet. Dies erweist sich als äußerst zeitaufwendig. Die Verarbeitung von 200 Bildern bspw. kann 200 Sekunden lang dauern. In der Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse von HIGH THROUGHPUT TOMO erklärt Marie Curie CIG Fellow Dr. Jorge Ripoll: „Wir optimierten die Hardware- und Software-Anordnung, um den Bedarf für motorbasierte Bewegungen zu verringern, indem wir diese durch Lichtscheibenmikroskopie und einstellbare Linsen mit schneller Reaktion in einer Größenordnung von 10ms ersetzten. Hierdurch wurde die Zeit bei jedem Scan um einen Faktor von 100 reduziert, sodass es zur Erfassung derselben 200 Bilder anstelle von 200 Sekunden 2 Sekunden bedurfte.“ Derzeit basieren praktisch alle In-vivo-Bildgebungsmessungen, bei denen Modellorganismen wie z. B. der Zebrafisch oder die Fruchtfliege verwendet werden, auf der Abbildung einzelner Exemplare. Dies beinhaltet laut Dr. Ripoll schwerwiegende Einschränkungen: „Um wissenschaftlich sinnvolle Ergebnisse zu erzielen, mussten wir diese Messungen an großen Speziesbeständen wiederholen, sodass sich die Zeit, die für ein einzelnes Exemplar erforderlich war, mit der Anzahl der erforderlichen Messungen vervielfachte. Dies ist nicht nur extrem zeitaufwendig, die Aufrechterhaltung der gleichen Bedingungen ist auch problematisch und führt oftmals dazu, dass Messungen verworfen werden.“ Der Durchbruch des Teams und die verschiedenen wichtigen geometrischen Änderungen bei der Einrichtung der optischen Bildgebung bedeuten, dass Forscher jetzt dazu in der Lage sind, mehrere Exemplare gleichzeitig abzubilden. Dr. Ripoll zählt die erfolgreiche gleichzeitige In-vivo-Abbildung der Entwicklung von 13 Fruchtfliegen als Konzeptnachweis auf. Begeistert erklärt Dr. Ripoll: „Die Möglichkeit, diese Daten zu analysieren und tatsächlich in 3D zu sehen, wie sich ein komplexer Organismus entwickelt, ist sehr spannend, die herkömmliche Mikroskopie wird auf eine ganz neue Stufe gebracht.“ Bedeutsamerweise kann die Geschwindigkeit bei kleineren Volumen weiter verringert werden, sodass 10 komplette Volumen in einer Sekunde abgebildet werden können. Die praktischen Implikationen hierbei sind, dass schnelle Prozesse wie z. B. der Herzschlag des Zebrafischs, die unter normalen Bedingungen nicht abgebildet werden konnten, jetzt in 3D und in Zeitlupe erfasst werden können. Von der Beobachtung zur Manipulation für gesundheitliche Vorteile Die schnelle und effiziente 3D-Abbildung großer Proben wie z. B. kompletter Organe stellt Beiträge für die gesundheitsbezogene Forschung in Aussicht. Dr. Ripoll erklärt hierzu: „Diese neuen Ansätze werden ein Mittel zur Untersuchung der Genexpression und molekularen Funktion auf Zellebene bereitstellen, gleichzeitig wird anstelle von der Abbildung von Abschnitten das Organ als Ganzes gesehen, sodass ergänzende Informationen zur Verfügung gestellt werden, die bislang nicht möglich gewesen sind.“ Die Technologie bietet ebenfalls die Möglichkeit dazu, das Schicksal einzelner Zellen in 3D zu verfolgen, wodurch sich neue Wege auftun, um ein Verständnis von der grundlegenden Molekularbiologie zu erhalten, die potenziell direkte Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben könnte. Um diese Technologie verfügbar zu machen, hat sich Dr. Ripoll an der Finanzierung von www.4dnature.eu (4D-Nature Imaging Consulting) beteiligt, einem Spin-off, das auf Patenten basiert, die im Laufe des Projekts entwickelt worden sind. Der nächste Schritt für das Team besteht darin, über die passive Beobachtung eines dreidimensionalen Volumens hinauszugehen, um tatsächlich Einfluss auf die Dinge nehmen zu können, die sich auf Zellebene abspielen. Dies wird Auswirkungen haben, die über In-vivo-Untersuchungen an Modellorganismen hinausgehen, da allgemeinere, schnellere Prozesse, die sich in 3D ereignen, ohne Weiteres in einer Mikrometer-Voxelauflösung kontrolliert werden können.
Schlüsselbegriffe
HIGH THROUGHPUT TOMO, Optische Tomographie, 3D-Bildgebung, Mikroskopie, Lichtscheibenmikroskopie, einstellbare Linsen, in-vivo, zelluläre Steuerung, Genexpression