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Dr. Carmen Rotte
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Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen

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STED - Mikroskopie jenseits optischer Grenzen

Mit Mikroskopen dringen Forscher seit mehr als 400 Jahren immer weiter in die Mikro- und Nanowelt vor. Angefangen beim ersten Lichtmikroskop, das um das Jahr 1600 erfunden wurde, über das Fluoreszenz- bis hin zum Elektronen- und STED-Mikroskop machen die optischen Instrumente immer feinere Details der belebten und unbelebten Welt sichtbar.

Schärfer als die Theorie erlaubt

Bis vor kurzem galt die Regel von Ernst Abbe aus dem Jahr 1873 als die die Grenze für eine maximale optische Auflösung: Objekte, die näher als ein 200-Millionstel Millimeter beieinander liegen, können nicht voneinander unterschieden werden.
Mit dem STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion) können Wissenschaftler diese Grenze jedoch überwinden.

Hochauflösende Bilder für die medizinische Forschung

Hochauflösende Bilder für die medizinische Forschung

Max-Planck-Gesellschaft und Deutsches Krebsforschungszentrum schließen Lizenzvertrag mit Abberior

Die STED-Mikroskopie erzeugt hochauflösende Bilder weit unterhalb der Beugungsgrenze des sichtbaren Lichts. Die Technik dazu ist jedoch noch vergleichsweise komplex, was ihre Verbreitung und Nutzung behindert. Eine vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und dem Deutschen Krebsforschungszentrum entwickelte und nun von der Ausgründungsfirma Abberior GmbH lizenzierte Technologie namens EASYDOnut vereinfacht das optische System erheblich: EASYDOnut lenkt die Laserstrahlen des STED-Mikroskops über ein einziges optisches Element gezielt auf die zu untersuchende Probe. Die Innovation kann die Verbreitung der STED-Mikroskopie fördern – mit Gewinn auch für die medizinische Forschung: Mit STED-Mikroskopen lassen sich wichtige Informationen auch an lebenden menschlichen Zellen gewinnen.
Bilder einer PtK2-Zelle mit einem Konfokalen Fluoreszenz-Mikroskop sowie einem STED-Mikroskop mit EASYDOnut Phasenplatte (Maßstab 2 Mikrometer).
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Bilder einer PtK2-Zelle mit einem Konfokalen Fluoreszenz-Mikroskop sowie einem STED-Mikroskop mit EASYDOnut Phasenplatte (Maßstab 2 Mikrometer).
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Lebende Zellen lassen sich mit der modernen Fluoreszenz-Mikroskopie erforschen. Dabei werden entsprechende Moleküle innerhalb der Zelle mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, über Licht angeregt und zum Leuchten gebracht. Jedoch können mit der herkömmlichen Mikroskopie keine Details unterschieden werden, die näher als 200 Nanometer beieinander liegen (Beugungsgrenze; Abbesche Auflösungsgrenze). Der Grund hierfür liegt in der Wellennatur des Lichts und der damit verbundenen räumlichen Ausdehnung des Fokalpunktes eines Lichtstrahls.

Bei der STED-Mikroskopie wird nun dieser Fokalpunkt, der die fluoreszierende Probe sichtbar macht, verkleinert, indem der Randbereich des Lichtflecks am Fluoreszieren gehindert wird. Dazu wird neben dem zentralen Lichtstrahl ein zweiter ringförmiger Lichtstrahl mit einer anderen Wellenlänge ausgesendet, der über eine so genannte stimulierte Emission die angeregten Farbstoffmoleküle am Rand des zentralen Lichtstrahls abregt und so deren Fluoreszenz verhindert.

Dank EASYDOnut können beide Lichtstrahlen aus einer einzigen Punktlichtquelle stammen, so dass das aufwändige Nachjustieren beider Strahlen zueinander entfällt. Das erspart dem Anwender die bislang häufig anfallenden Kosten für technischen Service. Der große Vorteil des EASYDOnut-Systems liegt daher in seiner sehr einfachen Handhabung. „Als führender Hersteller von kommerziell erhältlichen Fluoreszenzfarbstoffen für neue Mikroskopie-Techniken bieten wir unseren Kunden mit dem neuartigen EASYDOnut-System ein fein aufeinander abgestimmtes Angebot von optischen Komponenten und Farbstoffen für die STED-Mikroskopie“, so Gerald Donnert, Geschäftsführer der Abberior GmbH.

Die neue Technologie wurde gemeinsam mit dem Erfinder der STED-Mikroskopie, Stefan Hell vom MPI für biophysikalische Chemie, und Johann Engelhardt und Matthias Reuss aus der Abteilung Optische Nanoskopie des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) sowie Volker Westphal und Lars Kastrup vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie entwickelt. Die Erfindung wurde von Max-Planck-Innovation und der Stabsstelle Technologietransfer des DKFZ zum Patent angemeldet und lizenziert.

„Die Innovation erleichtert die Anwendung der STED-Mikroskopie erheblich. Die Beobachtung von biologischen Prozessen im Mikrokosmos der Zelle wird vereinfacht sowie verbessert und eröffnet so neue Wege in der biologischen Forschung und medizinischen Diagnostik“, erläutert Bernd Ctortecka, Lizenzmanager der Max-Planck-Innovation GmbH. EASYDOnut kann für eine fast beliebige Vielzahl von Licht-Wellenlängen-Kombinationen hergestellt werden.

MB/HR

 
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