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Disruptive Technologie für biologische Proben: Wie kann die Expansionsmikroskopie die medizinische Diagnostik verändern?
Mit dem technologischen Fortschritt entstehen immer mehr neue biologische Bildgebungstechnologien. Unter ihnen hat die „Expansionsmikroskopie“ (ExM) als innovatives Werkzeug zur Probenvorbereitung in der biomedizinischen Forschungsgemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt. Die Kernidee dieser Technologie besteht darin, winzige Strukturen in Zell- oder Gewebeproben durch Polymersysteme zu vergrößern, sodass sie durch ein breiteres Spektrum an Mikroskopietechniken erfasst werden können. Mit der Einführung der Expansionsmikroskopie werden die Auflösungsbeschränkungen herkömmlicher Mikroskope aufgehoben, sodass Forscher bei geringeren Gerätekosten empfindlichere biologische Strukturen untersuchen können.
Durch die Expansionsmikroskopie kann eine Probe auf das bis zu 16-fache ihrer ursprünglichen Größe vergrößert werden, sodass Forscher mit Standardgeräten kleine Strukturen identifizieren können.
Technische Grundlagen
Das Prinzip der Expansionsmikroskopie basiert auf der Einführung von Polymernetzwerken in die Probe. Als Reaktion auf chemische Reaktionen dehnt sich das Polymernetzwerk physikalisch aus, wodurch die Größe der biologischen Struktur zunimmt. Mit diesem Verfahren werden die Auflösungsbeschränkungen herkömmlicher optischer Mikroskope effektiv umgangen, insbesondere bei der Erkennung winziger Strukturen wie synaptischer Vesikel, die lediglich einen Durchmesser von 40 bis 50 Nanometern aufweisen und bei denen die Auflösung lediglich 200 Nanometer beträgt.
Historischer HintergrundDas wichtigste Prinzip besteht darin, dass für die Expansionsmikroskopie keine Spezialausrüstung erforderlich ist und die Materialkosten nahezu vernachlässigbar sind.
Die Expansionsmikroskopie wurde erstmals im Jahr 2015 vorgeschlagen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung zahlreicher Studien und der Verbesserung der Technologie wurde sie für die Analyse verschiedener biologischer Proben eingesetzt. Diese Technologie hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, insbesondere im Bereich der Visualisierung und molekularen Sequenzierung von RNA-Molekülen. Im Jahr 2022 durchbrachen Hendrickson et al. die Grenzen der Expansionsmikroskopie weiter und entwickelten die Expansion-Revealing-Mikroskopie, wodurch deren Anwendungsbereich noch weiter erweitert wurde.
Anwendungsbereiche
Medizinische Diagnose
Zu den bemerkenswertesten Merkmalen der Expansionsmikroskopie zählen zweifellos die Veränderungen und Möglichkeiten, die sie für die biomedizinische Diagnostik mit sich bringt. Mit herkömmlichen Mikroskopen lassen sich Zellstrukturen und Biomoleküle nur begrenzt untersuchen. Mithilfe der Expansionsmikroskopie können Medizinforscher jedoch Gewebeproben in hoher Auflösung abbilden, ohne auf teure Geräte angewiesen zu sein. Aktuelle Studien zu Nierenerkrankungen und Brustneoplasien haben gezeigt, dass der Einsatz der Expansionsmikroskopie für die Früherkennung und Diagnose sehr effektiv ist.
Die Expansionsmikroskopie verbessert die Auflösung der optischen Mikroskopie und ermöglicht so medizinische Bildgebung.
Neurowissenschaften
In der neurowissenschaftlichen Forschung ist die Expansionsmikroskopie ein wichtiges Instrument zur Aufdeckung der Struktur neuronaler Schaltkreise. Mithilfe dieser Technologie lassen sich Neuronen und Synapsen deutlicher kartieren und auf molekularer Ebene lokalisieren. Dies trägt dazu bei, die Funktionsweise des Nervensystems aufzuklären. Durch die Untersuchung von Gehirnproben entdeckten die Forscher beispielsweise pathologische Merkmale des Beta-Amyloid-Proteins, das mit der Alzheimer-Krankheit in Zusammenhang steht.
Vorteile und Herausforderungen
Der Hauptvorteil der Expansionsmikroskopie besteht darin, dass keine teure optische Ausrüstung erforderlich ist und mit Standardmikroskopen hochauflösende Bilder erzielt werden können. Allerdings bringt diese Technik auch viele Herausforderungen mit sich, darunter mögliche Fehler bei verschiedenen Schritten des Probenvorbereitungsprozesses. Wenn Zellen beispielsweise nicht vollständig verdaut werden, beeinträchtigt dies die gleichmäßige Ausdehnung der Probe und führt zu Bildverzerrungen. Gleichzeitig neigen einige fluoreszierende Markierungen dazu, während des Polymerisationsprozesses zu verblassen, was den Schwierigkeitsgrad des Experiments weiter erhöht.
Obwohl das Anwendungspotenzial der Expansionsmikroskopie riesig ist, erfordert ihr spezifischer Betrieb immer noch eine strenge Kontrolle.
Da sich die Technologie ständig verbessert, nimmt die Anwendung der Expansionsmikroskopie im biomedizinischen Bereich rasch zu. Könnte diese Technologie in Zukunft unser Verständnis von Zellen und ihren Funktionen revolutionieren? Welche neuen Anwendungen werden sich aus der zukünftigen Forschung ergeben?
