4D-Holographie: Steuerung biologischer Prozesse mit Licht

Von den Neurowissenschaften bis zur Krebsforschung: BMBF-Verbundprojekt HOLO4D beginnt mit der Entwicklung eines zeitlich steuerbaren, holographischen Beleuchtungssystems für die Mikroskopie.
Mosaik aus drei Bildern mit blauem Laser und einer Makroaufnahme und einer Grafik

Holographische Beleuchtung im optischen Mikroskop © Rapp OptoElectronic GmbH

22.05.14

Pressemitteilung des Verbundprojekts HOLO4D / Rapp OptoElectronic GmbH und Bioimaging Center der Universität Konstanz

Die Lichtmikroskopie ist ein grundlegendes und immer noch an Bedeutung gewinnendes Werkzeug in den Feldern der Medizin, Biologie sowie den Neurowissenschaften. Die technischen Entwicklungen im Bereich der Lichtmikroskopie haben in den letzten Jahrzehnten zur stetigen Verbesserung der bildgebenden Methoden, sogar über die theoretische Auflösungsgrenze hinweg, geführt. Dieses eröffnet Forschern heute völlig neue Möglichkeiten für die Bearbeitung ihrer wissenschaftlichen Fragestellungen.

Neben den Verbesserungen in der Bildgebung heutiger Lichtmikroskope, gewinnt auch die Möglichkeit der lichtinduzierten Manipulation (Photomanipulation) von Proben derzeit zunehmend an Bedeutung. Beispiele hierfür sind die Optogenetik, welche innerhalb weniger Jahre eine zentrale Rolle in der Neurowissenschaft eingenommen hat, und die Erzeugung von DNA-Schäden in der Krebsforschung.

Das im Mai 2014 gestartete und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt HOLO4D hat sich daher das Ziel gesetzt, ein Beleuchtungssystem für die Mikroskopie zu entwickeln, das in der Lage ist, zeitlich aufgelöste dreidimensionale Hologramme in ein Mikroskop zu projizieren und somit die gezielte vierdimensionale Stimulation/Manipulation biologischer Proben zu ermöglichen. Durch die Verwendung eines gepulsten Infrarot-Lasers sowie die Ausnutzung des so genannten 2-Photonen-Effekts soll hierbei eine bisher unerreichte Ortsauflösung für die Photomanipulation erzielt werden.

In der experimentellen Forschung im Bereich der Medizin, der Biologie und der Neurowissenschaft wird Licht zunehmend als Werkzeug zur Stimulation und Manipulation von biologischen Prozessen verwendet. Beispiele hierfür sind quantitative Mikroskopie-Techniken wie FRAP (‚Fluorescence Recovery After Photobleaching‘) oder die Photokonversion fluoreszierender Farbstoffe zur Identifikation zellulärer Prozesse. Ein weiteres Beispiel aus dem Gebiet der Krebsforschung ist die gezielte Erzeugung von DNA-Schäden in Zellen. Diese Technik gibt völlig neue Aufschlüsse über die Reparaturmechanismen von Zellen, und damit wie bestimmte genetische Defekte zur Entstehung von Krebs führen können.

Im Bereich der Optogenetik, die in den letzten Jahren eine zentrale Rolle in der Neurowissenschaft eingenommen hat, ist die ‚raumzeitliche‘, lichtinduzierte Stimulation von großer Bedeutung. Bei dieser Methode können genetisch modifizierte Nervenzellen durch Licht bestimmter Wellenlängen gezielt angeregt oder blockiert werden. Dieses Verfahren gibt den Forschern dadurch die Kontrolle über die Funktion einzelner Nervenzellen und ermöglich ihnen einen direkten Einblick in die Funktionsweise ganzer neuronaler Netzwerke.

Die verwendeten biologischen Proben bestehen meist aus Zellgewebe, welches auf natürliche Weise in alle drei Raumdimensionen ausgedehnt ist. Daher muss ein Beleuchtungssystem für die Mikroskopie idealerweise auch eine Beleuchtung und damit eine Stimulation in der Tiefe des Gewebes ermöglichen. Außerdem erfordern die Experimente eine gleichzeitige Beleuchtung der Probe an verschiedenen Positionen im Gewebe. Z.B. ermöglicht gerade die Gleichzeitigkeit neue Ansätze zum Verständnis der Funktion von neuronalen Netzen und trägt entscheidend zur Erforschung der Informationsverarbeitung im Gehirn bei. Diese freie zeitliche Steuerbarkeit zusammen mit der hohen geforderten Ortsauflösung stellt große Anforderungen an das Beleuchtungssystem

Als technische Realisierung eines solchen Systems bieten sich v.a. holographische Verfahren an. In solchen Systemen werden Spatial-Light-Modulatoren (SLM) eingesetzt. Dieses können z.B. Flüssigkristalldisplays sein, die in der Lage sind, die Phase des eingestrahlten Laserlichtes an jedem Pixel gezielt zu verschieben. Die Phasenmatrizen für Muster, welche in das Mikroskop projiziert werden sollen, lassen sich vorausberechnen und auf einen solchen SLM ausgeben.

Bei Bestrahlung des SLM mit Laserlicht entsteht auf diese Weise im Sehfeld des Mikroskops ein Hologramm des gewünschten Musters. Zum Erreichen der 3D-Fähigkeit und der hohen Ortsauflösung bis in die Tiefe biologischer Gewebe muss ein gepulster Infrarot-Laser hoher Leistung in das optische System eingebunden werden. Dieser ermöglicht dann durch die Anregung von Multi-Photonenprozessen die hohe räumliche Auflösung der Muster.

Im Rahmen des HOLO4D-Projektes haben sich mit den beiden Partnern Rapp OptoElectronic GmbH aus Wedel und dem Bioimaging Center der Universität Konstanz ein kleines mittelständisches Technologie-Unternehmen und ein führendes Forschungsinstitut zusammengetan, um ein solches holographisches System für die Mikroskopie zu entwickeln.

Die verwendeten Zellen können z.B. Nervenzellen im Hirngewebe oder Krebszellen in einem dreidimensionalen Zellkulturmodell sein. Der Projektpartner in Konstanz erhält mit diesem System die Möglichkeit, seine Studien über DNA-Beschädigungen an Zellkernen auf die 3. Dimension zu erweitern. Außerdem eröffnen die in diesem Projekt gewonnenen Ergebnisse, neben den Studien über DNA-Beschädigungen an Zellkernen und den Neurowissenschaften, ein breites Feld an medizinisch relevanten Einsatzmöglichkeiten, z.B. in der Tumorbehandlung oder der dermatologischen Phototherapie.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt HOLO4D (PDF)

Ansprechpartner

Dipl.-Phys., Dipl.-Ing. (FH) Oliver Wendt
Telefon: +49 4103 701 89 0
wendt@Rapp-Opto.com

Rapp OptoElectronic GmbH
Kronskamp 110
22880 Wedel

Prof. Dr. Elisa Ferrando-May
Telefon: +49 7531 884054
elisa.may@uni-konstanz.de

Universität Konstanz
Bioimaging Center
Universitätsstraße 10
78457 Konstanz

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