STED-Mikroskopie – Lebende Zellen im Detail durchleuchtet

Das STED-Mikroskop Planet Wissen 11.05.2015 03:06 Min. Verfügbar bis 17.08.2020 WDR

Kunstlicht

STED-Mikroskopie – Lebende Zellen im Detail durchleuchtet

Von Inka Reichert

Wenn Forscher Krankheiten heilen wollen, müssen sie sehr genau hinschauen. Denn im Inneren von Zellen, auf der Ebene der Moleküle, spielen sich die Prozesse ab, die über Gesundheit oder Krankheit entscheiden. Noch bis vor Kurzem konnten Forscher diese Abläufe nicht in lebenden Zellen untersuchen, weil gängige Lichtmikroskope nicht die notwendige Auflösung lieferten. Dies änderte sich jedoch mit der Erfindung des STED-Mikroskops.

Revolution in der Lichtmikroskopie

Mit dem STED-Mikroskop können Wissenschaftler heute bis zu zehnmal schärfer einzelne Moleküle in lebenden Zellen beobachten: Sie scannen Nervenzellen im Detail, durchleuchten das HI-Virus und blicken sogar Mäusen live ins Gehirn. Dabei machen sie erstaunliche Entdeckungen.

Lange Zeit glaubte man, dass die Reise in die Welt der Winzigkeit ihre Grenzen hat. Denn für die Lichtmikroskopie benötigt man – wie der Name schon sagt – Licht. Und die Beugung der Lichtwellen erlaubt nur eine maximale Auflösung von etwa 200 Nanometern – 200 Milliardsteln eines Meters.

Anders ausgedrückt: Der Durchmesser eines Lichtstrahls kann nicht dünner gemacht werden als 200 Nanometer. Der kleinste Punkt, der also abgelichtet werden kann, hat diese Größe.

Zellstrukturen oder Moleküle, die kleiner sind, erscheinen verschwommen. Mit der Elektronenmikroskopie können schon länger kleinere Details als 200 Nanometer aufgelöst werden, doch diese zerstört Zellstrukturen und kann nicht in lebenden Organismen angewandt werden.

"Ich bin schon immer misstrauisch geworden, wenn alle das Gleiche denken", sagt Stefan Hell. Er ist Abteilungsleiter am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen.

Der Physiker wollte sich mit der Grenze der Lichtmikroskopie nicht abfinden und hatte bereits in den 1990er Jahren die entscheidende Idee, die die Erforschung lebender Zellen revolutionierte.

Im Jahr 1994 beschrieb er mit seinem Kollegen Jan Wichmann erstmals theoretisch das Prinzip der STED-Mikroskopie. STED bedeutet Stimulated Emission Depletion, übersetzt also etwa "stimulierte Emissions-Löschung".

Genau 20 Jahre später erhielt Hell zusammen mit den US-amerikanischen Forschern Eric Betzig vom Howard Hughes Medical Institute und William Moerner von der Stanford University für seine Errungenschaft den Chemie-Nobelpreis.

Drei Bilder nebeneinander. Links: Ein Punkt leuchtet orange auf schwarzem Hintergrund. Mitte: Der Punkt ist im Zentrum schwarz. Rechts: Nur noch das Zentrum des Punktes leuchtet

Prinzip der STED-Mikroskopie: Anregungsstrahl, ringförmiger Ausschaltefokus (Mitte) und übrig bleibender fluoreszierender Bereich

Hell trickst das Licht aus

Bei seiner Technologie kann Stefan Hell die physikalischen Gesetze der Lichtwellen zwar nicht verändern, er bedient sich jedoch eines Tricks.

Mithilfe von Fluoreszenz macht er den Ausschnitt, der untersucht werden soll, kleiner als der dünnste Lichtstrahl sein könnte. Dazu färben die Forscher die Zellstrukturen, die sichtbar gemacht werden sollen, mit fluoreszierenden Farbstoffmolekülen ein.

Diese leuchten nur dann auf, wenn ein Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge auf sie trifft, also ein Laserstrahl:

Die Farbstoffmoleküle nehmen dabei die Energie des Laserstrahls also nicht in Form von Wärme auf, wie es zum Beispiel unsere Haut beim Sonnenbad macht. Vielmehr wandeln sie das Laserlicht in eine andere Wellenlänge um und strahlen es wieder ab, sie fluoreszieren.

Und nun kommt Hells Trick: Er macht den fluoreszierenden Bereich kleiner als den Bereich, der von einem Laserstrahl beleuchtet wird. Dazu werden zwei Laserstrahlen ineinander geschaltet.

Der erste Laserstrahl bringt den fluoreszierenden Farbstoff in den Zellen zum Leuchten. Der zweite Strahl, der sogenannte Ausschaltestrahl, macht den leuchtenden Ausschnitt kleiner. Das wird durch gezieltes Ausschalten der Farbstoffmoleküle im Randbereich des Fokus erreicht.

Am Ende leuchtet also nur ein winziger Punkt im Zentrum der von den Lasern bestrahlten Fläche. Für ein vollständiges Bild wird das Präparat dann Punkt für Punkt abgerastert.

Auf diese Weise lassen sich heute Strukturen in lebenden Zellen darstellen, die kleiner sind als 50 Nanometer. Das STED-Mikroskop ermöglicht also eine bis zu zehnmal bessere Detailschärfe als herkömmliche Lichtmikroskope.

STED-Mikroskope sind seit 2007 auf dem Markt und haben zum rasanten Fortschritt in der medizinischen Grundlagenforschung beigetragen.

Live-Bilder aus dem Mäusehirn

"Die Methode ist noch längst nicht ausgereizt. Rein theoretisch gibt es nach unten bis zum Molekül keine Grenze", sagt Stefan Hell. "Unser Ziel ist es, mit unseren Mikroskopen noch tiefer in den Nanokosmos von Zellen zu schauen und wichtige Lebensprozesse sichtbar zu machen."

Seine Worte setzte Hell bereits in Taten um: Der Göttinger Forscher und seine Kollegen am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie blickten 2012 erstmals mit dem STED-Mikroskop direkt in das Gehirn lebender Mäuse. Sie lichteten Nervenzellen aus der oberen Hirnschicht der Nager in bisher unerreichter Detailtreue ab.

Dies enthüllte Überraschendes: Elementare Kontaktstellen des Gehirnschaltkreises, die Dornfortsätze der Nervenzellen, können sich offenbar bewegen und ihre Form ändern.

"Die superscharfen Live-Aufnahmen könnten in Zukunft sogar zeigen, wie bestimmte Proteine an den Synapsen verteilt sind", sagt Hell. Mit solchen immer detaillierteren Aufnahmen hoffen die Forscher, Krankheiten wie Autismus oder Epilepsie besser zu verstehen. Denn diese beruhen auf einer Fehlfunktion von Synapsen.

Orange leuchtende Stränge von Nervenzellen mit feinen Verästelungen

Die STED-Aufnahme zeigt feine Verästelungen von Nervenzellen im Mäusehirn

Detaileinblicke ins Ohr

Das STED-Mikroskop in Göttingen nutzen nicht nur Hell und seine Forschergruppe. Tobias Moser von der Göttinger Universitätsklinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde untersucht mit dem Hightech-Gerät die Gehirn-Ohr-Kommunikation.

"Was Normalhörigen selbstverständlich erscheint, ist ein komplexer biologischer Prozess", sagt Moser.

Gerade das Umwandeln des Schalls von einer mechanischen Schwingung in einen für das Gehirn interpretierbaren elektrischen Impuls sei lange ungeklärt gewesen. Die Arbeitsgruppe um den Molekularphysiologen konnte einen für Nervenzellen höchst ungewöhnlichen Vorgang aufdecken.

"Wir wussten bereits, dass sich durch das Bewegen der Härchen im Ohr die Spannung über der Zellmembran der Haarzellen verändert. Sie steigt umso mehr, je stärker das ankommende Schallsignal ist", sagt Moser.

Überrascht stellten die Forscher jedoch fest: An den Synapsen strömten unterschiedliche Mengen an Kalzium ein. Und das passierte, obwohl alle Kalziumkanäle durch die gleiche Spannung gesteuert werden.

Offenbar verfügt jede der Synapsen auf einer einzelnen Zelle über eine unterschiedliche Menge von Kalziumkanälen. "Diese Unterschiede könnten erklären, warum über einige Synapsen bereits schwache Signale weitergeleitet werden, während andere erst bei starken Signalen aktiv werden", sagt Moser.

Die Forscher glauben, dass genau diese Arbeitsteilung zwischen den Synapsen es einer Haarzelle erlaubt, je nach Signalstärke eine andere Nervenfaser zu aktivieren. "Dem hörenden Menschen wird es damit möglich, Geräusche über einen sehr weiten Lautstärkebereich wahrzunehmen", erklärt Moser.

Zeichnung eines menschlichen Ohrs im Querschnitt

Forscher untersuchen mit dem Mikroskop die Hirn-Ohr-Kommunikation

Dem HI-Virus auf der Spur

Neben Vorgängen in lebenden Zellen kann die STED-Mikroskopie auch Abläufe in Viren in bisher ungeahnten Details sichtbar machen. Forscher der Virologie in Heidelberg haben zusammen mit Arbeitsgruppen von Stefan Hell bereits den Aidserreger durchleuchtet.

Sie wollten mehr über die Virusreifung verstehen. Denn erst ein reifes HI-Virus wird aktiv und greift menschliche Zellen an. Ihre Untersuchungen lieferten wieder Überraschendes.

Mit der Reifung der inneren Virusstruktur verändert sich offenbar auch die Verteilung der Oberflächenproteine: Sie versammeln sich gezielt an einem Punkt, wodurch die Viren vermutlich besser in unsere Zellen eindringen können.

Die Moleküle im Virusinneren signalisieren also offenbar der Außenseite, dass der Erreger jetzt für den Schritt ins Zellinnere bereit ist.

Die Virologen hoffen mit ihrer Grundlagenforschung den Weg für neue Aids-Therapien zu ebnen. Dabei hört das Potenzial der STED-Mikroskopie für die Medizin hier noch lange nicht auf:

Ob Alzheimer, Krebstumore, Haarzellen oder der Magnetkompass der Vögel – Forscher weltweit setzen große Hoffnungen in die neue Technologie.

 Großaufnahme eines HI-Virus

Die STED-Mikroskopie gibt neue Einblicke in die Reifung von HI-Viren

Stand: 23.12.2016, 11:00

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