Nachwuchswissenschaftler verschieben die Grenzen der Bildgebungstechnologie
Ein gutes Beispiel dafür ist die lichtmikroskopische Bildgebung. Professor Kees Weijer, Leiter der Zell- und Entwicklungsbiologie an der Universität Dundee und Koordinator von PHOQUS, hält fest, dass sich die lichtmikroskopische Lichtgebung „rasant zu einer der wichtigsten Techniken zur Beobachtung der Dynamik lebender Systeme entwickelt“. Doch das Potenzial dieser Technologie wird noch immer durch seine technischen Beschränkungen ausgebremst: Wissenschaftler haben zunehmend mit lichtinduzierten Schäden zu kämpfen, die auf die verwendeten Untersuchungsverfahren zurückzuführen sind. Zur Beseitigung dieser Probleme werden zwar bereits neue Methoden entwickelt, doch dieser Entwicklungsprozess findet in der Regel in Physiklaboren statt – ihre Anwendung erfolgt dagegen in biowissenschaftlichen Laboren. „Zu den Zielen dieses Projekts gehörte es auch, neuartige Instrumente im Life-Science-Umfeld zu konzipieren und konstruieren. Diese werden auf spezifische Versuchsanforderungen abgestimmt, um einer engen Zusammenarbeit zwischen Biowissenschaftlern und Photonik-Forschern Rechnung zu tragen. Dazu war es nötig, ein gemeinsames Verständnis der biologischen und physikalischen Grundlagen und Probleme zu entwickeln, da nur wenige Leute in beiden Bereichen bewandert sind“, so Prof. Weijer. PHOQUS bildete 13 Nachwuchsforscher aus den Bereichen Physik, Photonik, Molekularbiologie, Biotechnologie und biomedizinische Technik aus. Das Projekt brachte außerdem konkrete Forschungsprojekte zu komplexen Prozessen in lebenden Organismen ins Rollen. PHOQUS hat eine sehr lange Reihe beachtlicher Erfolge vorzuweisen. So konnte das Projekt beispielsweise eine hochauflösende STED-Mikroskopie (STimulated Emission Depletion, STED) verwirklichen, mit der die Beobachtung fluoreszierender Strukturen auch weit unterhalb der Beugungsgrenze möglich ist. Diese Mikroskopie-Methode hat sich bei fixierten Proben bestens bewährt. Prof. Weijer betont, dass derzeit in weiteren Experimenten geprüft wird, ob sie sich auch für lebende Proben eignet. Zudem gelang dem Projekt eine Weiterentwicklung der schnellen Lichtscheibenmikroskopie. Sie ermöglicht eine mehrtägige Langzeitbeobachtung von Zellen und Gewebe im lebenden Embryo bei hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung und reduziert zugleich lichtinduzierte Schäden im Vergleich zu konventionellen Verfahren. „Dadurch konnten wir neue Erkenntnisse über den zellulären Mechanismus gewinnen, der die Gastrulation von Hühnerembryonen steuert, die als Modell für die menschliche Entwicklung dienen“, erläutert Prof. Weijer. Zu den weiteren bemerkenswerten Ergebnissen zählen Fortschritte bei der Integration von optischen Pinzetten in Mikroskope; neue Verfahren zur Bildgebung durch Ein- und Multimode-Fasern; neue Sonden zum Nachweis biologisch wichtiger Moleküle in der Angiogenese und Innervation von Tumoren; neue Methoden zur Messung der mechanischen Parameter von darmstämmigen Wildtyp-Organoiden und für Krebs prädisponierten Organoiden; nicht-invasive spektroskopische Verfahren und Datenverarbeitungsmethoden zur Messung von Blutfluss und Sauerstoffsättigung; und ein neuer kostengünstiger gepulster Infrarot-Laser auf Halbleiterbasis. Das Projekt selbst wurde zwar bereits abgeschlossen, doch Prof. Weijer zufolge werden die im Rahmen des Projekts aufgebauten Kooperationen zwischen Biowissenschaftlern und Physikern in Dundee sowie akademischen Partnern aus anderen Einrichtungen fortgesetzt. „Wir beabsichtigen, mit weiteren Ausbildungsprogrammen und der Beantragung projektspezifischer Zuschüsse an diese Arbeit anzuknüpfen“, erklärt er. Neben den Errungenschaften im Innovationsbereich und Publikationen in einflussreichen Fachzeitschriften wird sich langfristig wohl vor allem ein Beitrag des PHOQUS-Projekts als besonders wertvoll erweisen: die neue Generation von Wissenschaftlern, die es förderte. Beinahe alle 13 Nachwuchsforscher des Projekts haben bereits ihre Dissertation vorgelegt oder ihre mündliche Prüfung bestanden und stehen am Anfang einer vielversprechenden Karriere.
Schlüsselbegriffe
PHOQUS, Bildgebungstechnologie, lebende Systeme, Spektroskopie, Photonik, Lichtmikroskopie, lichtinduzierte Schäden, Zellen, Gewebe, Biologie
