Steuerung biologischer Prozesse mit Licht

BMBF-Verbundprojekt HOLO4D erreicht Meilenstein zur Entwicklung eines 4-dimensionalen, holographischen Beleuchtungssystems für die Mikroskopie.
Zwei Bilder: Auf der linken Seite ein Labortisch mit verschiedenen Apparaturen drauf, rechts ein Screenshot von dem Softwarebild.

Abbildung 1: Laboraufbau (links) und die Steuerungssoftware (rechts). Bilder: Rapp OptoElectronic GmbH

Zwei Bilder, beide schwarzer Hintergrund mit grünen Punkten. Links grüne Punkte dreidimensional im schwarzen Raum, rechts acht grüne Punkte in einem Viereck angeordnet.

Abbildung 2: Das gewünschte Muster (links) und das projizierte Muster in Draufsicht (rechts). Bilder: Rapp OptoElectronic GmbH

18.01.16

BMBF-Verbundprojekt HOLO4D

In der Biologie, der Medizin und in den Neurowissenschaften sind optische Mikroskope grundlegende und an Bedeutung gewinnende Werkzeuge. Dabei werden die bildgebenden Verfahren zunehmend um die Möglichkeit erweitert, biologische Prozesse durch Licht gezielt über optische Manipulation zu kontrollieren.

Ein Beispiel hierfür ist die Optogenetik. Diese ist vor allem in den Neurowissenschaften von zentraler Bedeutung. Nervenzellen etwa können durch Licht bestimmter Wellenlänge angeregt werden. Sie geben dann ein elektrisches Signal an benachbarte Nervenzellen weiter. Verwendet man Licht einer anderen Wellenlänge, kann man die Signalantwort an Nachbarzellen unterdrücken. Damit ermöglicht dieses Verfahren das „Steuern“ biologischer, neuronaler Netzwerke.

Ein anderes Beispiel ist in der Krebsforschung zu finden. Hier werden durch optische Methoden mit hoher lokaler Auflösung DNA-Schäden in Krebszellkernen erzeugt und die Reparaturmechanismen der Zelle untersucht.

Holographisches System zur optischen Stimulation von Zellen

Beide Anwendungsfelder stellen hohe Anforderungen an die Technologie zur Erzeugung der optischen Stimulation. Da biologisches Gewebe in alle drei Dimensionen ausgedehnt ist, benötigt man eine Technologie, die eine dreidimensionale Stimulation der Zellen ermöglicht. Zudem ist das Timing der Stimulation von zentraler Bedeutung.

So ist es z.B. auch notwendig, gleichzeitig verschiedene räumliche Bereiche der biologischen Probe zu stimulieren. Gerade die Gleichzeitigkeit ermöglicht neue Ansätze zur Untersuchung neuronaler Netze und trägt entschieden zum Verständnis der Funktionsweise des Gehirns bei.

Als technische Realisierung eines Beleuchtungssystems, welches diese Anforderungen erfüllt, bietet sich ein holographisches Verfahren an. In diesen Systemen werden Spatial-Light-Modulatoren (SLM) eingesetzt. Diese sind Flüssigkristalldisplays, die in der Lage sind, ein Hologramm in das Mikroskop zu projizieren.

Zum Erreichen der 3D-Fähigkeit und der gewünschten Ortsauflösung muss ein gepulster Infrarot-Laser hoher Leistung in das optische System eingebunden werden. Dadurch wird die Anregung von Multi-Photonenprozessen und damit eine hohe räumliche Auflösung ermöglicht.

Für das Verbundprojekt HOLO4D haben sich mit den beiden Partnern Rapp OptoElectronic GmbH aus Wedel und dem Bioimaging Center der Universität Konstanz, ein kleines mittel-ständisches Technologie-Unternehmen und ein führendes Forschungsinstitut zusammengetan, um ein solches, holographisches Systems für die Mikroskopie zu entwickeln.

Realisierbarkeit nachgewiesen

Der HOLO4D-Verbund ist Anfang Mail 2014 gestartet und soll nach drei Jahren Ende April 2017 abgeschlossen werden. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Photonik/Optische Technologien“ gefördert.

In der ersten Projekthälfte wurde die Realisierbarkeit der wesentlichen Projektziele erfolgreich in einem Testaufbau nachweisen. Der Testaufbau umfasst bereits jeweils eine Basisversion der wesentlichen Komponenten des Systems. Diese bestehen aus Optik, Mechanik, Echtzeitelektronik, Firmware und Steuerungssoftware.

Im Rahmen der Charakterisierungen und Messungen zum Meilenstein konnte gezeigt werden, dass die Anforderungen in Hinsicht auf Geometrie und Auflösung der projizierten Muster, Timing, Kontrast und Pulsverbreiterung erreicht worden sind.

In der zweiten Projekthälfte liegt der Fokus auf der Weiterentwicklung aller o.g. Komponenten. Der Schwerpunkt hierbei liegt auf der Optik. Es soll z.B. das Verhalten des Systems bei verschiedenen Wellenlängen untersucht, Methoden zur Normierung der Helligkeit entwickelt und Abbildungsfehler kompensiert werden.

Ansprechpartner

Oliver Wendt
Rapp OptoElectronic GmbH
Telefon: +49 4103 701 89 0
E-Mail: wendt@Rapp-Opto.com

Prof. Dr. Elisa Ferrando-May
Universität Konstanz, Bioimaging Center
Telefon: +49 7531 884054
E-Mail: elisa.may@uni-konstanz.de

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt HOLO4D (PDF)

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