Eines der besten Fluoreszenzmikroskope weltweit steht in Kiel

Anatomisches Institut nimmt Instrument im Wert von einer Million Euro für die medizinische und biologische Forschung in Betrieb

 

Es ist eines der ersten in Deutschland und bislang das einzige dieser Art in Schleswig-Holstein: Das neue Hochleistungsmikroskop des Anatomischen Instituts der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) liefert extrem scharfe Bilder von kleinsten Strukturen bis zu 30 Nanometern – also bis zu 2.000-mal feiner als ein menschliches Haar. Damit lassen sich künftig zum Beispiel das Innere von lebenden Zellen und dort ablaufende molekulare Prozesse hochpräzise abbilden. Das sogenannte STED-Mikroskop (STED = Stimulated Emission Depletion) ist eine besondere Form des Lichtmikroskops und arbeitet mit Fluoreszenz-Farbstoffen, mit denen einzelne Strukturen markiert und so sichtbar unterscheidbar werden. Es wurde in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professorin Franziska Theilig des Anatomischen Instituts entsprechend ihrer Forschungsbedarfe entwickelt. Zum Einsatz kommen soll das hochauflösende Fluoreszenz-Mikroskop für die medizinische und biologische Grundlagenforschung. Das Instrument im Wert von einer Million Euro wurde mit 770.000 Euro vom Land Schleswig-Holstein und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. 

Hochleistungsmikroskop ermöglicht völlig neue Forschungsfragen

„Gerade bei uns in der Anatomie spielen bildgebende Verfahren eine zentrale Rolle. Mit dem neuen Mikroskop können wir ultrafeine Strukturen wie Schlitzmembranen, Zellkanäle und Vesikel-Bläschen lokalisieren oder die Interaktion zwischen Proteinen mit einer Genauigkeit nachweisen, die bisher nicht möglich war“, erklärt Institutsdirektorin Theilig. Damit lassen sich völlig neue, weitreichende Fragestellungen in Biologie, Medizin oder Materialwissenschaft untersuchen. Sie selbst forscht in ihrer Arbeitsgruppe „Forschung für Nieren- und Volumenregulation“ vor allem zu Bluthochdruck, Ödementwicklung, Diabetes und chronischem Nierenversagen. Theilig erhofft sich auch hierfür grundlegende neue Erkenntnisse durch die neue Qualität der Aufnahmen.

Mit seiner extrem hohen Auflösung übertrifft das STED-Mikroskop sogar die sogenannten konfokalen Lichtmikroskope, die immerhin eine Auflösung von 200 Nanometern bieten. Elektronenmikroskope erreichen zurzeit etwa 0,1 Nanometer. Hierfür müssen die Untersuchungsproben jedoch in hauchdünne Scheiben geschnitten werden – Einblicke in vollständige oder lebende Zellen wie im STED sind daher nicht möglich.

Nobelpreiswürdige Technik

Hinter dem besonderen Mikroskop steckt Nobelpreisträger-Know-how: Mit der Entwicklung der STED-Methode revolutionierte der Göttinger Physiker Stefan W. Hell die Lichtmikroskopie und erhielt dafür 2014 den Chemie-Nobelpreis. Er konnte die Auflösung um das Zehnfache steigern, indem er Proben mit zwei Lasern bestrahlte: Der erste Laser regt Moleküle zum Leuchten an und macht sie damit besser sichtbar. Diese Fluoreszenz kann der zweite Laser bei einzelnen Molekülen wieder „abschalten“ („depletion“) und schafft so ein schärferes Bild der Probe. Mittlerweile entwickelt Hell mit einer eigenen Ausgründung maßgeschneiderte STED-Mikroskope für Forschungseinrichtungen.

„Um das Mikroskop passgenau auf unsere Bedarfe abzustimmen, haben wir sehr eng mit den Entwicklerinnen und Entwicklern des Unternehmens zusammengearbeitet – in dieser Form ist unser Instrument also einzigartig“, so Theilig. So haben sie zum Beispiel den stärksten erhältlichen Laser einbauen lassen, um auch hochauflösende Aufnahmen von Geweben zu erhalten. „In Geweben sind die Strukturen besonders dicht, deshalb ist es hier weitaus schwieriger, feine Elemente voneinander zu unterscheiden als in einer einzelnen Zelle“, erklärt Theilig weiter. Rund zwölf Monate hat dieser Entwicklungsprozess insgesamt gedauert – ein Aufwand, der sich gelohnt hat, sind sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Anatomischen Instituts sicher.     

Zwei Mikroskopbilder mit unterschiedlichen Auflösungen
© Franziska Theilig

Das neue hochauflösende STED-Mikroskop (rechts) liefert scharfe Aufnahmen von kleinsten Strukturen bis zu 30 Nanometern, hier von der glomerulären Schlitzmembran, einer Filtermembran in der Niere. Herkömmliche konfokale Lichtmikroskope (links) erreichen eine Auflösung von 200 Nanometern.

Eine Frau sitzt vor einem Mikroskop
© Jürgen Haacks, Uni Kiel

Professorin Franziska Theilig, Direktorin des Anatomischen Instituts am neuen extrem hochauflösenden Mikroskop. Im schwarzen Aufbau (links) verbirgt sich einer der stärksten erhältlichen Laser, mit dem Moleküle zum Leuchten angeregt werden.

Mikroskopbild
© Franziska Theilig

Die Aufnahme aus dem STED-Mikroskop zeigt eine Zelle des Proximalen Tubulus im vorderen Teil des Nierenkanälchens. Deutlich zu unterscheiden ist die äußere Membran (grün) und innenliegende, einzelne Membranfaltungen (lila) sowie kleine Aufnahmebläschen (rot).

Wissenschaftlicher Kontakt:

Prof. Dr. Franziska Theilig
Direktorin Anatomisches Institut der CAU zu Kiel
0431/880-1009
f.theilig@anat.uni-kiel.de
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