04.06.2020 - Technische Universität Wien

So werden Tiere durchsichtig

Spektakuläre Bilder werden mit einer neuen Methode möglich

Was passiert eigentlich im Inneren eines Borstenwurms? Wie sind ganz bestimmte Arten von Zellen im Körper eines Axolotls verteilt? Wie sieht die Struktur der Nervenzellen in einem Zebrafisch aus? Wenn man solche biologischen Fragen beantworten wollte, hatte man bisher nur eine Möglichkeit: Die Tiere Scheibe für Scheibe aufzuschneiden und dann unter dem Mikroskop zu untersuchen. Doch dabei werden viele wichtige Strukturen zerstört.

Eine viel elegantere Möglichkeit ist das sogenannte „Klären“. Dabei werden die Tiere mit speziellen chemischen Methoden durchsichtig gemacht. Bestimmte Arten von Zellen werden mit speziellen fluoreszierenden Farbstoffen markiert. Mit Hilfe eines „Ultramikroskops“ wird das Tier dann durchleuchtet, und so entstehen spektakuläre Aufnahmen, die eine riesengroße Menge an wertvoller biologischer Information tragen.

Nun gelang dabei ein wichtiger Durchbruch: Während die bisher verwendeten Klärtechniken bisher immer nur für einzelne spezielle Gewebe optimiert werden konnten, etwa für Mäusegehirne oder Fruchtfliegen, schafft man es jetzt mit einer verbesserten Methode, beliebige Tiere zur Gänze durchsichtig zu machen und zu durchleuchten.

Koordiniert wurde das Projekt von Forschungsgruppenleiter Dr. Florian Raible (Max Perutz Labs), beteiligt war außerdem neben der TU Wien auch das Center for Brain Research (CBR) der Meduni Wien sowie das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP). Die Arbeit wurde nun in „Science Advances“ publiziert.

Weg mit den Pigmenten!

Seit Jahren wird an der TU Wien an der Ultramikroskopie geforscht. Bei dieser Technik wird biologisches Gewebe Schicht für Schicht mit einem dünnen Laserlicht-Blatt durchleuchtet und aufgenommen. Am Computer wird daraus dann ein dreidimensionales Modell des Tieres erstellt. „Auf diese Weise kann man viele optische Einschränkungen überwinden, mit denen man bei anderen Methoden zu kämpfen hat. Das Lichtblatt ermöglicht uns, extrem schnell hochauflösende Bilder zu erstellen“, sagt Dr. Saideh Saghafi (TU Wien), die Designerin des Mikroskops an der TU Wien.

Um das zu ermöglichen, muss man das Gewebe aber zuerst so verändern, dass der Laserstrahl überhaupt eindringen kann. „Der erste Schritt ist, die biologischen Gewebe zu klären – es also durchsichtig werden zu lassen“, erklärt der Entwickler der Klärungsmethode Marko Pende vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien und dem CBR. Eine große Herausforderung ist dabei, dass es in einem Organismus eine ganze Reihe von Pigmenten gibt, die vorher abgebaut werden müssen. „Wir stellten nun allerdings fest, dass man das mit einer geschickt gewählten Kombination von Chemikalien in recht kurzer Zeit erreichen kann, und zwar bei einer Vielzahl unterschiedlicher Tierarten.“

So wurde es nun möglich, ganz unterschiedliche Tiere zu durchleuchten – von Mollusken über Knochenfische bis hin zu Amphibien. „Das sind nur einige Beispiele. Wir gehen davon aus, dass die Methode für viele verschiedene Tiere funktioniert, es wurde nur noch nicht mit allen ausprobiert“, erklärt Prof. Hans Ulrich Dodt, Senior Author der Publikation.

Fluoreszierende Markierungen

Wenn man sich für ganz bestimmte Strukturen oder Zellen interessiert, können diese mit fluoreszierenden Molekülen markiert werden. Sobald sie vom Laserstrahl getroffen werden, senden sie Licht aus und werden dadurch sichtbar. Auf diese Weise kann man dreidimensionale Strukturen im Inneren des Tieres abbilden oder die räumliche Verteilung bestimmter Zellen oder Moleküle im Körper untersuchen.

Die neue Methode erlaubt es, diese Markierungen an verschiedenen Biomolekülen anzubringen: „Man kann mit gentechnischen Methoden arbeiten, man kann markierte Antikörper gegen einzelne Eiweiße ins Gewebe einbringen, oder man kann gezielt spezifische RNA-Moleküle markieren“, sagt Florian Raible (Max Perutz Labs). „Diese Bandbreite an möglichen Anwendungen macht unsere Methode interessant für verschiedenste Forschungsrichtungen.“

Berücksichtigen muss man dabei, dass die Marker-Moleküle nicht in jede Art von Gewebe gleich schnell eindringen. Bisher war es kaum möglich, schwer zugängliche Punkte tief im Inneren eines Tieres zu erreichen. Außerdem konnte es passieren, dass die Chemikalien, mit denen man die Pigmente zerstört, auch die fluoreszierenden Marker beschädigen.

All diese Probleme konnten im Rahmen des aktuellen Forschungsprojektes gelöst werden. „Wir können mit unserer Methode nun ganze Zell-Netzwerke im Tier aufleuchten lassen und dreidimensional abbilden“, berichtet Marko Pende.

„Für die Biologie ist das eine neue und mächtige Untersuchungsmethode“, betont Florian Raible. „Wir sind überzeugt davon, dass man dadurch in der biologischen Forschung wichtige Fragen beantworten kann, die sich bisher nicht präzise untersuchen ließen.“

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