Es war einmal.. .. eine Zelle und sie wurde nimmermehr gesehen?

Wirtschaft
Produktübersicht: High-Content-Screening-Systeme
Akribische Datensammler
Mikroskopische Aufnahmen
von Zellen liefern eine schier
unendliche Fülle biologischer
Informationen. Heben lässt sich
dieser Datenschatz jedoch nur
mit automatischen Systemen,
die ganz genau hingucken.
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Foto: Wikipedia
Ob das italienische Universalgenie Galileo
Galilei Anfang des 17. Jahrhunderts das
erste Mikroskop zusammenbastelte oder
der Holländische Brillenmacher Zacharias
Jansen, ist unter Wissenschaftshistorikern
umstritten. Ziemlich sicher ist jedoch, dass
Galileos Landsmann Francesco Stelluti,
der wie Galileo dem römischen Naturforscher-Verein
„Accademia dei
Lincei“ angehörte, die ersten
Zeichnungen von mikroskopierten
Objekten anfertigte.
Bereits im Jahr 1625 veröffentlichte
er ein Flugblatt mit
Mikroskop-Bildern von Bienen,
die er mit einem von Galileo
konstruierten Mikroskop
untersucht hatte. Noch heute
erstaunt der hohe Informationsgehalt
der Bienen-Darstellungen
auf denen jede Kleinigkeit
der Bienen-Anatomie
sowie viele phänotypische
Details des Bienenkörpers,
etwa von Facettenaugen, Kauwerkzeugen
(Mandibeln), Antennen oder Flügeln zu
sehen sind (siehe Abbildung).
Auch lange Zeit nach Stelluti waren
Mikroskopiker auf die Schärfe ihrer Augen
und die Fähigkeit ihres Gehirns, Bilddaten
exakt einzuordnen, angewiesen. Und bis
heute sind das Auge und die Erfahrung
eines Experten bei der Analyse einzelner
Zellparameter, etwa der Morphologie,
schwer zu toppen. Schwierig wird es, wenn
der Betrachter sehr viele einzelne Zelldetails
gleichzeitig erfassen, beurteilen sowie
speichern muss – und dies nicht nur bei
einigen wenigen Mikroskopaufnahmen,
sondern bei vielen tausenden. Diese Herkules-Aufgabe
überlassen Forscher lieber
automatischen Mikroskopkameras und
Bildanalyseprogrammen in sogenannten
High-Content-Screening (HCS)-Systemen
(synonym mit High-Content-Imaging oder
Analyse-System).
Bildbasierte HCS-Systeme lehnen sich
entweder an klassische Weitfeld- sowie
konfokale Fluoreszenzmikroskope an, die
mit zusätzlichen Modulen für die automatische
Bildaufnahme und -auswertung fit
gemacht wurden; oder kommen als spezielle
HCS-Geräte daher, die auf den ersten
Blick nicht als Mikroskope zu erkennen
sind. Die optische Einheit versteckt sich
hier hinter einem Blechgehäuse, das die
Instrumente wie überdimensionale
Scanner aussehen lässt.
Beide Spielarten sind jedoch
nach dem gleichen Prinzip
aufgebaut und enthalten
vier wesentliche Bausteine:
ein optisches System, einen
automatisch angetriebenen,
präzise gesteuerten Objekttisch,
eine Kamera, welche die
Bildsignale empfängt, sowie
ein intelligentes Bildverarbeitungsprogramm,
das aus
dem Wirrwarr der Bilddaten
die relevanten Informationen
heraus pickt.
In den optischen Systemen dienen
Laser, verschiedenfarbige LED-Lampen
oder Quecksilberlampen, die ein kontinuierliches
Spektrum abstrahlen, als Lichtquellen.
Die Lichtstrahlen passieren in
Spinnig-Disc-HCS-Geräten zunächst die
spiralförmig angeordneten Löcher einer
mit hoher Geschwindigkeit rotierenden
Nipkow-Scheibe, bevor sie auf die Proben
treffen. Wie bei der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie
blockieren die kleinen
Löcher störendes Streulicht und konzentrieren
die hindurchtretenden Strahlen auf
die Fokusebene des Objekts.
Im Gegensatz zu klassischen konfokalen
Mikroskopen, bei denen ein einzelner
Lichtstrahl Punkt für Punkt über die
Probe geführt wird, fallen durch die Nipkow-Scheibe
jedoch viele einzelne Spots
gleichzeitig auf die Probe. Dies ermöglicht
nicht nur schnelle Bildfrequenzen von über
tausend Bildern pro Sekunde und damit
verkürzte Aufnahmezeiten. Auch die Strahlenbelastung
ist deutlich geringer, weil die
Intensität des Lichts kleiner und die Belichtungsdauer
kürzer ist.
Rasend schnelle Bildfrequenzen
In HCS-Mikroskopen sind in der Regel
Objektive mit hoher numerischer
Apertur eingebaut, die für eine maximale
Lichausbeute sorgen. Auch auf den
Öl-Immersions-Trick, mit dem sich der
Brechungsindex des Mediums und damit
die Auflösung des Mikroskops erhöhen
lässt, verzichten die wenigsten Hersteller.
Die üblichen in Standardmikroskopen verwendeten
Mineralöle sind für HCS-Mikroskope
jedoch ungeeignet. Sie würden ein
ziemliches Geschmiere verursachen, wenn
die Mikrotiterplatten auf dem Objekttisch
automatisch von einem Well zum nächsten
verschoben werden. HCS-Geräte sind
deshalb meist mit Immersions-Objektiven
ausgerüstet, die auf Silikonöl oder Wasser
abgestimmt sind.
Die Objekttische von HCS-Instrumenten
sind für die Aufnahme klassischer
Objektträger sowie Mikrotiterplatten mit
unterschiedlichsten Bodenformen sowie
Well-Anzahlen ausgelegt. Ein automatischer
Nanopositionierer verschiebt die
Mikrotiterplatten nanometergenau in alle
drei Raumrichtungen. Die exakte Fokussierung
des Objekts erledigt entweder ein
lasergesteuertes Autofokussystem, das
die Reflexion eines Laserstrahls am Boden
der Mikrotiterplatte ausnützt oder
ein softwaregesteuertes, Bild-basiertes
7-8/2016 Laborjournal