forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

42
Wissenschaft & Forschung
[2003/2004]
Projekt:
Ausschreibung 2003/2004: Optische Zellsensorik und Zellaktorik
Neue 4Pi-Kontraste zur Abbildung lebender Zellen
Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)
In der Biomedizin besteht weltweit ein großer Bedarf nach
nicht-invasiven optischen Mikroskopie-Techniken. Hierbei spielen
die optische Auflösung kleinster Strukturen innerhalb von
Zellen und die Sensitivität eine zentrale Rolle. Das Ziel des Projekts
ist es, neue Mikroskopiekontraste ohne Färbungen und die
damit verbundenen Vorteile zu erforschen und sie in der biomedizinischen
Forschung zu erproben. Dazu werden lineare
und nicht-lineare Streuungen in die 4Pi-Mikroskopie eingeführt.
Für Hochauflösung fluoreszierender Präparate wurde in den
letzten Jahren die 4Pi-Mikroskopie entwickelt [2, 5]. Dabei werden
die Strahlen zweier sich gegenüberliegenden Objektive
interferenzfähig überlagert. Dies führt zu einer axial 5-fach
höheren Auflösung im Vergleich zum konfokalen Standard oder
dem Multiphotonenfluoreszenzmikroskop.
Abb. 1: Beim 4Pi-Mikroskop wird ein
Laserstrahl durch 2 gegenüberliegende
Objektive auf denselben Punkt im
Objekt fokussiert. Dabei interferieren
die Strahlen und formen einen doppelt
so hellen, axial 5-fach kleineren
Brennpunkt im Vergleich zum herkömmlichen
Mikroskop.
Es ist bekannt, dass bestimmte hochinteressante Biomoleküle
aufgrund ihrer (A)Symmetrieeigenschaften einen hohen Wechselwirkungsquerschnitt
für nicht-lineare Streuung, wie z.B. SHG
haben. Eine Übersicht über die Anwendungspotenziale von
SHG alleine ist z.B. in „Imaging in Perfect Harmony“, Benjamin
D. Butkus, Biophotonics International, August 2003, 48 ff zu finden.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass die Detektion mancher
Zellbestandteile oft besser mit nicht-linearen Streumethoden
wie SHG [1, 3] oder sogar mit Kohärenter-Antistokes-Raman-Streuung
(CARS) durchzuführen ist [4]. Kollagen stellt beispielsweise
80 % des Proteinanteils in der menschlichen Haut
dar und ist dafür bekannt, dass es einen hohen SHG-Wirkungsquerschnitt
besitzt [6]. Auch ist bekannt, dass es in der Entstehung
und Verbreitung bestimmter Tumorarten beteiligt ist.
Weiterhin besteht 30 % des Proteinanteils im menschlichen
Körper aus verschiedenen Typen von Kollagenen, die durch ihre
nicht-punktsymmetrische Symmetrie einen hohen typabhängigen
Wirkungsquerschnitt für SHG aufweisen. Myosin und
Tubulin sind ebenfalls der intrinsischen nicht-linearen Abbildung
zugänglich, wenn auch etwas schwächer.
Die Ausnutzung dieser nicht nicht-linearen Effekte in der neuen
4Pi-Mikroskopie verspricht daher besondere Vorteilen und birgt
neue potente Abbildungsverfahren.