FastFibreSIM

Schnelle Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung zur Lebend-Zell-Diagnostik

Licht für die Gesundheit

Licht hat das Potenzial, die Ursprünge von Krankheiten zu erkennen, ihnen vorzubeugen oder sie frühzeitig und schonend zu heilen. Mit Licht gelingen Darstellungen von mikroskopisch kleinen Abläufen, etwa innerhalb von lebenden Zellen, in extrem kurzer Zeit und "berührungslos" - also ohne biologische Prozesse zu stören oder sie zu beeinflussen. Lichtbasierte Verfahren sind damit in vielen Bereichen potenziell schneller und schonender als konventionelle Verfahren.

Hierzu gehört insbesondere die Aufklärung der Pathogenese vieler Erkrankungen, welche in der Folge eine verbesserte Prävention, Diagnostik und Therapie ermöglicht. Zu nennen sind aber auch Anwendungen in Biotechnologie und Umweltschutz. Innovationen aus den optischen Technologien haben in den Lebenswissenschaften bereits heute erhebliche wirtschaftliche Bedeutung und sichern Arbeitsplätze in Deutschland.

Der weltweite Umsatz in diesem Marktsegment beträgt etwa 65 Milliarden Euro, an dem Europa einen Anteil von ca. 23 Mrd. Euro hat. Der deutsche Marktanteil liegt bei etwa 10 Mrd. Euro.

Ziel dieser Fördermaßnahme ist es, diese Anwendungspotenziale weiter auszuschöpfen.

Innovative Lichtmikroskopie für Biologie und Gesundheit

Die rasanten Entwicklungen der biomedizinischen Forschung in den letzten Jahren wurden zum Teil erst durch Innovationen in der Lichtmikroskopie ermöglicht. Insbesondere die Überwindung der Abbeschen Beugungsgrenze, die die Auflösung auf etwa 200 nm in lateraler und 500 nm in axialer Richtung begrenzte, ermöglichte die Visualisierung zellbiologischer Strukturen und Prozesse auf zuvor unerreichten Längenskalen. Die bisherigen Ansätze zur Hochauflösungsmikroskopie können jedoch die Anforderungen der Lebenswissenschaften nicht voll erfüllen. Einige Hochauflösungsverfahren sind in ihrer Einsatzmöglichkeiten an lebenden Zellen durch eine starke Phototoxizität oder eine schwierige Probenpräparation beschränkt, andere können keine dynamischen Prozesse darstellen.

Diese Beschränkungen können mit dem Ansatz der strukturierten Beleuchtung (Structured Illumination Microscopy, SIM) behoben werden. Strukturierte Beleuchtung erlaubt Standard-Probenpräparationen und den Einsatz einer Vielzahl von Markierungsfarbstoffen bei geringerer Probenbelastung. Die strukturierte Beleuchtung ist derzeit jedoch in ihrer Aufnahmegeschwindigkeit begrenzt, dynamische biologische Prozesse können nur eingeschränkt abgebildet werden.

Hochaufgelöste Mikroskopie für Lebendzelldiagnostik

Der Verbund „FastFibreSIM“ hat das Ziel die Geschwindigkeitsgrenzen der aktuellen SIM Technologie zu überwinden. Dadurch soll die Aufnahme von dreidimensionalen Mehrfarbenbildern lebender Zellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht werden. Um diese Geschwindigkeitsanforderungen zu erfüllen, muss auf den Einsatz makroskopisch beweglicher Teile verzichtet werden. Unser Ansatz ist ein faseroptischer Phasenmodulator, der das Lichtmuster in der Probe präzise und sehr schnell verschieben kann. Schnelle und robuste Algorithmen werden die Bildrekonstruktion in Echtzeit ermöglichen. Ein hochpräziser Farbbildteiler ermöglicht die simultane Detektion mehrerer Farbkanäle. Die erforderliche Genauigkeit zur Überlappung ortsgleicher aber spektral unterschiedlicher Fluoreszenzsignale liegt im Bereich von 50 nm. Um diese Anforderung an Hard-und Software zu erfüllen müssen Lösungen konzipiert werden, die mit hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit auch in biomedizinischen Routine-Anwendungen arbeiten.

Ein Hochauflösungsmikroskop das diese Anforderungen erfüllt, wird nicht nur neue Horizonte in der Zellbiologie, sondern auch in der biomedizinischen und pharmazeutischen Forschung erschließen.

Projektdetails

Koordinator

Prof. Dr.Rainer Heintzmann
Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.
Albert-Einstein-Str. 9, 7745Jena
+49 3641 206-431

Projektvolumen

1,2 Mio. € (Deutscher Anteil 0,9 Mio. €, davon ca. 47 % Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.06.2014 - 28.02.2017

Projektpartner

Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.Jena
Carl Zeiss Microscopy GmbH - Abt. Advanced DevelopmentJena
FIBOTEC FIBEROPTICS GmbHMeiningen