Lensless label-free nanoscopy

Projektbeschreibung

Große Neuigkeiten für Betrachtung winziger Zellen

Die Betrachtung von Zellen im Nanometerbereich erforderte bisher winzige Sichtfelder und fluoreszierende Markierungen, was den Einblick in komplexe biologische Prozesse einschränkte. Die großmaßstäbliche Aufnahme hochauflösender Bilder von lebenden Zellen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Das Ziel des ERC-finanzierten Projekts NaNoLens besteht in der Entwicklung eines kompakten, markierungsfreien Ansatzes zur Rekonstruktion von Vollfeldhologrammen. Insbesondere wird Pionierarbeit bei der linsenlosen holotomografischen Nanoskopie im tiefen UV-Bereich geleistet. Mit einem optikfreien Design, fortgeschrittenen Algorithmen und Vollwinkel-Tomografie kann das Team von NaNoLens Bilder mit einer Auflösung von zehn Gigapixeln aufnehmen und einzelne extrazelluläre Vesikel in großen Zellkulturen darstellen. Diese winzigen Kugeln, die für die Krankheitsdiagnostik und die Wirkstoffverabreichung von entscheidender Bedeutung sind, können nun in Echtzeit nachverfolgt werden. Die Arbeit des Projekts eröffnet eine neue Ära der großmaßstäblichen, hochauflösenden Zellbildgebung.

Ziel

Optical nanoscopy has changed the “seeing is believing” paradigm. This was achieved within a limited field of view (FOV~100µm2) and required fluorescent markers. Large-FOV high-throughput live unimpaired cell imaging is crucial for biology and biomedicine. Hence, improving the space bandwidth product (SBP) using time-consuming scanning stitching is not a good solution. Lensless holographic microscopy (LHM) inherently bypasses FOV limitations by using full sensor-size hologram reconstruction for label-free object information retrieval. Its major limitation, not yet addressed, is its low lateral (~1µm) and axial (~3µm) resolution. I will overcome this fundamental problem by pioneering deep UV (DUV) lensless holotomographic nanoscopy (LHN) as a simple and compact device easily operated inside the cell chamber or outside the laboratory (in contrast to lens-based systems). Owing to DNA damage, DUV is used to sterilize and never image bio-samples. This paradigm will be shifted to provide a breakthrough 10 giga pixel SBP via a low-dose DUV optical-elements-free (no cost, no radiation loss) lensless setup with a worlds-first full-angle tomographic scenario, numerical aperture > 1, and a new class of reconstruction algorithms to decrease the effective pixel (to 100 nm) and remove background noise. I will use LHN to enable the discovery of a new mechanistic understanding of extracellular vesicles expression and intake within large live cell cultures with single-vesicle resolution. EVs, nanosized lipid spheres released by virtually every cell type, are currently emerging as novel disease biomarkers and drug nanovehicles. LHN is a new research field that inherently makes this a high-risk project, but the potential gains are also high as a new era of simple ultrahigh SBP nanoimaging might be opened. The proposed multidisciplinary project calls for near-unique expertise in computational microscopy and digital holography, which I acquired in cooperation with international leaders.