Bessere Auflösung durch aufgequollene Proben

Stefan Hell erhielt 2014 den Chemienobelpreis für eine Mikroskopietechnik, mit der sich lebende Zellen bis auf wenige Dutzend Nanometer genau beobachten lassen – jenseits des Auflösungsvermögens herkömmlicher Lichtmikroskope. Alternativ zu dieser sogenannten STED-Mikroskopie gehen Forscher nun einen völlig anderen Weg: Sie lassen ihre Proben aufquellen, um sogar dreidimensionale Strukturen mit einfachen Lichtmikroskopen untersuchen zu können. Über ihre ersten Versuche mit Hirngewebe und Zellkulturen berichten sie in der Fachzeitschrift „Science“.

Mikroskopaufnahme des Hippocampus einer MausGewebeaufnahmen eines Expansionsmikroskops
Gewebeaufnahmen eines Expansionsmikroskops

Fei Chen vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und seine Kollegen tränkten hauchdünne Proben eines Maushirns mit Natriumacrylat und Acrylamid. Diese Moleküle vernetzten sich nach Zugabe eines Polymerisationstriggers miteinander und ließen die gesamte Probe etwa auf das 4,5-fache anschwellen. Zusätzliche Fluoreszenzmarker wurden für eine Beobachtung durch ein herkömmliches Lichtmikroskop zugefügt. Mit dieser Methode konnten die Forscher Strukturen erkennen, die unter Lichtmikroskopen allein mit einer Auflösung von bis zu zweihundert Nanometern nicht sichtbar wären. Übertragen auf die ursprüngliche Größe des Hirnschnitts vor dem Aufquellen erreichten Chen und Kollegen eine Auflösung von bis zu siebzig Nanometern. Vergleiche mit Aufnahmen anderer hochauflösender Mikroskope zeigten, dass die Bildqualität dieser „Expansionsmikroskopie“ ausgesprochen hoch war. Vorteilhaft zeigte sich die Untersuchung von aufgequollenen, dickeren Proben, da in diesen wegen der hohen Durchsichtigkeit sogar dreidimensionale Strukturen mit hoher Auflösung erkennbar wurden.

Wegen des Aufquellens mit wasserabsorbierenden Polymeren ist diese Methode kaum für lebende Zellen geeignet. Doch für Gewebeproben könnte sie schneller als mit anderen Mikroskopen sehr hoch aufgelöste Bilder liefern, um etwa bei krankhaften Hirnveränderungen schnellere Diagnosen zu ermöglichen. Vielleicht ließe sich diese Expansionsmethode auch mit anderen hochauflösenden Mikroskopen kombinieren. Rein theoretisch wären dann lichtmikroskopische Aufnahmen bis hin zu wenigen Nanometern vorstellbar.