Lebensprozesse unter minimaler Beeinflussung live beobachten

In der modernen Bio-Analytik hat sich die Fluoreszenzmikroskopie als unverzichtbares Werkzeug zur Untersuchung von biologischen Gewebeproben auf zellulärer Ebene etabliert. Durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer selektiver Fluoreszenzfarbstoffe können Zellorganellen so markiert werden, dass sie im Mikroskopbild bei unterschiedlichen Wellenlängen sichtbar werden. Hierzu ist allerdings eine zuverlässige Separation der Fluoreszenzsignale erforderlich.

Bislang werden diese Signale entweder zeitlich versetzt (seriell) oder räumlich kodiert (parallel) aufgenommen. Die auftretenden Signalverluste versucht man durch erhöhte Anregungsintensitäten auszugleichen. Aber insbesondere bei biologischen Proben kann eine hohe Beleuchtungsstärke sowohl den Farbstoff als auch die zu untersuchenden Zellen selber beeinflussen bzw. schädigen. Somit widersprechen sich die Forderungen nach einem hohen Bildkontrast einerseits und einer geringen Probenbeeinflussung andererseits.

Ein radikaler Ansatz zur Überwindung der beschriebenen Anwendungsherausforderung ist ein supraleitender Photodetektor, welcher einzelne Photonen detektieren kann und dabei deren Energie – und damit ihre Wellenlänge – misst.

Anfang Juli 2015 ist das Verbundprojekt „Real-MFM“ mit dem Ziel gestartet, derartige Photodetektoren und die erforderliche Kühltechnik zu erforschen und in einem weiteren Schritt mehrere solcher Detektoren zu einem sogen. zweidimensionalen Detektorarray zusammenzufassen. Mit diesem Detektorarray können biologische Proben an einem Laser-Scanning-Mikroskop untersucht werden und die Messdaten in Echtzeit verarbeitet und visuell dargestellt werden.

Die neuartige Technik erlaubt zukünftig das Studium empfindlicher biologischer Proben mit minimaler Beleuchtungsstärke, wodurch eine Schädigung bestmöglich verhindert wird. Insbesondere in der medizinischen Forschung können dadurch Lebensprozesse mit minimaler Beeinflussung beobachtet werden. Mit der vorgeschlagenen Technik kann die Anregungsstärke auf ein fundamentales Minimum reduziert werden, da die fortschrittliche Sensorik in der Lage ist, im wörtlichen Sinn nahezu jedes einzelne Photon nachzuweisen, welches von der Probe bzw. dem Fluorophor emittiert wird.

Auf dem Real-MFM-Konzept basierende Instrumente können daher in Zukunft zum einem leistungsfähigen Werkzeug in der medizinischen Forschung werden und dabei z.B. die Entwicklung neuartiger Therapieansätze und Medikamente zur Bekämpfung von Krankheiten ermöglichen.

Der „Real-MFM“-Verbund wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der EU-Initiative „BiophotonicsPlus – Biophotonische Geräte für die angewandten Lebenswissenschaften und den Gesundheitssektor (Photonic appliances for lifesciences and health)“ Anteilig gefördert. Das Verbundakronym „Real-MFM“ steht für „Echtzeitfähige, multispektrale Fluoreszenz-Mikroskopie mittels energieauflösender Einzelphotonendetektoren“.

Projektpartner aus Deutschland sind die Supracon AG (Jena), das Leibniz Institut für Photonische Technologie e.V. IPHT (Jena) und die Entropy GmbH (München), Projektpartner aus Großbritannien ist die QMC Instruments Ltd. (Cardiff). Nach zwei Jahren soll der Verbundarbeiten Ende Juni 2017 abgeschlossen werden.