Lasersystem verbessert Mikroskopieverfahren zur Erforschung verborgener Zellwelten

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY hat ein innovatives Lasersystem entwickelt, welches das Potenzial besitzt, die mehrfarbige Zwei-Photonen-Mikroskopie grundlegend zu vereinfachen. Die auf einem kompakten, ultraschnellen Faserlaser basierende Technologie erlaubt die simultane Darstellung verschiedener Zelltypen und Gewebestrukturen. Dies ermöglicht eine präzise Untersuchung komplexer biologischer Wechselwirkungen im Gewebe und eröffnet zudem vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für die medizinische Forschung.

Effizientere Mehrfarben-Mikroskopie

Als unverzichtbares Instrument der modernen biomedizinischen Forschung ermöglicht die Zwei-Photonen-Mikroskopie hochauflösende, dreidimensionale Einblicke in Gewebe und Zellstrukturen. Ihre volle Leistungsfähigkeit entfaltet die Methode vor allem dann, wenn verschiedene Zellbestandteile simultan in unterschiedlichen Farben visualisiert werden können. Bisher erweist sich diese mehrfarbige Darstellung in der Praxis jedoch als technisch hochkomplex, da sie meist den Einsatz mehrerer kostspieliger Lasersysteme voraussetzt, um die jeweils benötigten Lichtfarben zu erzeugen.

Ein Laser für alle Farben

Unter der Leitung von Dr. Andreu Matamoros-Angles und Marvin Edelmann präsentiert die Studie einen Ansatz zur signifikanten Reduzierung dieser Komplexität. Anstatt mehrere Laser zu kombinieren, nutzt das System eine einzige faserbasierte, ultraschnelle Laserquelle. Durch gezielte Simulationen und ein speziell entwickeltes optisches Design gelang es den Forschenden, das breite Spektrum der Laserpulse so präzise zu formen, dass aus dieser einen Quelle gleichzeitig mehrere klar definierte Anregungsfarben entstehen. Dies ermöglicht es, unterschiedliche biologische Strukturen und Dynamiken gezielt und effizient zu untersuchen.

Das auf einem einzelnen Faserlaser basierende System nutzt eine speziell entwickelte photonische Kristallfaser zur Spektrumverbreiterung, wobei laut Marvin Edelmann der entscheidende Fortschritt in der computergestützten Vorhersagbarkeit der erzeugten Farben liegt: „Das Lasersystem basiert auf einem einzelnen Faserlaser, dessen Spektrum mithilfe einer speziell entwickelten photonischen Kristallfaser verbreitert wird. Der entscheidende Fortschritt besteht darin, dass wir mithilfe von Computersimulationen genau vorhersagen können, welche Farben die Faser erzeugt. Das macht das System reproduzierbar und praxistauglich“.

Diese Technologie soll die Untersuchung komplexer biologischer Prozesse mit mehreren Zelltypen, etwa in Tumoren oder im Gehirn, revolutionieren, wie Prof. Dr. Markus Glatzel erläutert: „Diese Technologie wird es ermöglichen, komplexe biologische Prozesse zu untersuchen, an denen mehrere Zelltypen beteiligt sind – etwa im Gehirn oder in Tumorgeweben. Langfristig könnte sie dazu beitragen, Krankheitsmechanismen besser zu verstehen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie zu eröffnen. Solche interdisziplinären Ansätze eröffnen neue Möglichkeiten für neuropathologische Untersuchungen mit hoher zeitlicher Auflösung, die maßgeblich von Fortschritten in der Lasertechnologie abhängen“.

Im Rahmen dieses interdisziplinären Projekts kooperierten Laserphysiker des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) – getragen von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg – eng mit Fachleuten des Instituts für Neuropathologie am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) sowie der Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC). Während die physikalische Expertise im Zentrum stand, steuerten die Partnerorganisationen die essenzielle biologische Probenpräparation sowie die anschließenden Analysen bei.

Quelle

Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (04/2026)