Das "Great Unified Microscope" kann sowohl mikro- als auch nanoskalige Strukturen erkennen
Forscher vereinen zwei herkömmliche Techniken, die bisher entweder für Beobachtungen im Mikro- oder im Nanobereich verwendet wurden
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Die Forscher Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura und Takuro Ideguchi von der Universität Tokio haben ein Mikroskop gebaut, das ein Signal über einen vierzehnmal größeren Intensitätsbereich als herkömmliche Mikroskope erkennen kann. Außerdem erfolgen die Beobachtungen markierungsfrei, d. h. ohne die Verwendung zusätzlicher Farbstoffe. Das bedeutet, dass die Methode zellschonend und für Langzeitbeobachtungen geeignet ist, was ein Potenzial für Test- und Qualitätskontrollanwendungen in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie birgt. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Konzeptuelle Darstellung des bidirektionalen quantitativen Streumikroskops, das sowohl vorwärts als auch rückwärts gestreutes Licht von Zellen erfasst. Diese doppelte Detektion ermöglicht die Visualisierung von Strukturen, die von der Morphologie ganzer Zellen bis hin zu Partikeln im Nanomaßstab reichen.
Horie et al 2025
Mikroskope spielen seit dem 16. Jahrhundert eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Wissenschaft. Jahrhundert eine zentrale Rolle in der Entwicklung der Wissenschaft. Der Fortschritt hat jedoch nicht nur empfindlichere und genauere, sondern auch speziellere Geräte und Analysen erforderlich gemacht. Daher mussten moderne Spitzentechniken einen Kompromiss eingehen. Die quantitative Phasenmikroskopie (QPM) nutzt vorwärts gestreutes Licht und kann Strukturen im Mikrobereich (in dieser Studie über 100 Nanometer), aber nicht darunter erkennen. Daher wurde diese Technik in erster Linie zur Aufnahme statischer Bilder von relativ komplexen Zellstrukturen verwendet. Die interferometrische Streuungsmikroskopie (iSCAT) hingegen nutzt das rückgestreute Licht und kann Strukturen bis hin zu einzelnen Proteinen erkennen. Damit können einzelne Partikel "verfolgt" werden, was einen Einblick in dynamische Veränderungen innerhalb der Zelle ermöglicht, aber es kann nicht den umfassenden Überblick bieten, den QPM bieten kann.
"Ich möchte dynamische Prozesse in lebenden Zellen mit nicht-invasiven Methoden verstehen", sagt Horie, einer der Erstautoren.
Daher wollte das Forscherteam untersuchen, ob die gleichzeitige Messung beider Lichtrichtungen diesen Kompromiss überwinden und ein breites Spektrum an Größen und Bewegungen auf demselben Bild sichtbar machen könnte. Um die Idee zu testen und zu bestätigen, dass ihr neu gebautes Mikroskop wie erhofft funktionierte, beobachteten die Forscher, was während des Zelltods geschah. Sie nahmen ein Bild auf, das die Informationen von vorwärts und rückwärts wanderndem Licht enthält.
"Unsere größte Herausforderung", erklärt Toda, ein weiterer Erstautor, "bestand darin, zwei Arten von Signalen sauber von einem einzigen Bild zu trennen und dabei das Rauschen gering zu halten und eine Vermischung zwischen ihnen zu vermeiden."
So konnten sie nicht nur die Bewegung von Zellstrukturen (Mikro), sondern auch von winzigen Partikeln (Nano) quantifizieren. Durch den Vergleich des vorwärts und rückwärts gestreuten Lichts konnten sie außerdem die Größe und den Brechungsindex jedes Partikels abschätzen, eine Eigenschaft, die beschreibt, wie stark das Licht beim Durchgang durch die Partikel gebeugt oder gestreut wird.
"Wir planen, noch kleinere Partikel zu untersuchen", sagt Toda und denkt bereits an künftige Forschungen, "wie Exosomen und Viren, und deren Größe und Brechungsindex in verschiedenen Proben zu schätzen. Wir wollen auch herausfinden, wie sich lebende Zellen in Richtung Tod bewegen, indem wir ihren Zustand kontrollieren und unsere Ergebnisse mit anderen Techniken überprüfen."
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