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Vom Nano zum Makro: Wie durchbricht die erweiterte Mikroskopie die Grenzen der optischen Mikroskopie?
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie hat auch die Mikroskopietechnologie einen neuen Meilenstein erreicht. Die erweiterte Mikroskopie (ExM) spielt als innovatives Werkzeug zur Probenvorbereitung eine immer wichtigere Rolle in der biologischen Forschung. Diese Technik vergrößert nicht nur die Probengröße, sondern macht auch kleine Strukturen sichtbar, die mit der herkömmlichen Lichtmikroskopie nicht eindeutig identifiziert werden können.
Prinzip des erweiterten Mikroskops
Die Kernidee der Expansionsmikroskopie besteht darin, Polymersysteme zur Expansion der Probe zu nutzen. Das bedeutet, dass zunächst ein Polymernetzwerk in eine Zell- oder Gewebeprobe eingebracht wird und dann das Polymernetzwerk durch eine chemische Reaktion physikalisch erweitert wird, um die biologische Struktur zu vergrößern. Untersuchungen zeigen, dass die heutige Technologie Proben bis zum 16-fachen ihrer ursprünglichen Größe vergrößern kann – ein Durchbruch, der eine bisher unerreichbare Auflösung ermöglicht.
Der größte Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass keine spezielle teure Mikroskopieausrüstung erforderlich ist und die Kosten für die erforderlichen Materialien relativ niedrig sind.
Historischer Hintergrund der erweiterten Mikroskopie
Erweiterte Mikroskopie wurde erstmals 2015 von den MIT-Forschern Fei Chen, Paul W. Tillberg und Edward Boyden vorgeschlagen. Seitdem sind viele Anwendungen entstanden, die sich hauptsächlich auf die Analyse biologischer Proben konzentrieren.
Im Jahr 2016 veröffentlichten Forscher Arbeiten, in denen Lösungen für die Einschränkungen herkömmlicher markierter Sonden für ExM beschrieben wurden, wodurch die Verwendung dieser Technologie mit herkömmlichen mikroskopischen Sonden möglich wurde. Bis 2021 wird auch eine räumlich genaue In-situ-Sequenzierungstechnologie (ExSeq) verfügbar sein, die auf erweiterter Mikroskopie-Technologie basiert.
Anwendungsgebiete und medizinisches Potenzial
Die Anwendungen der erweiterten Mikroskopie beschränken sich nicht nur auf die biologische Grundlagenforschung. Im Hinblick auf die Krankheitsdiagnose bietet die erweiterte Mikroskopie Bildgebungswerkzeuge, die für klinische Proben verwendet werden können und Biomoleküle und winzige Strukturen innerhalb von Zellen klar darstellen können. Dadurch können Ärzte in einigen Fällen pathologische Zustände wie Nierentubuluserkrankungen oder Brusttumoren im Frühstadium genauer beurteilen und zwischen normalem und krebsartigem Gewebe unterscheiden.
In Zukunft könnte die erweiterte Mikroskopie mit der Weiterentwicklung der Technologie in der Lage sein, morphologische Beobachtungen einer Vielzahl menschlicher Organproben im Nanomaßstab zu ermöglichen.
Anwendungen der Neurowissenschaften
Auch in den Neurowissenschaften hat die erweiterte Mikroskopie zu vielen neuen Entdeckungen geführt. Forscher können Gehirnschaltkreise vergrößern und so neuronale Verbindungen einfacher abbilden. Extrazelluläre Biomoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren sind fest im Polymer verankert, sodass sie nach der Expansion mit gewöhnlichen Mikroskopen klar abgebildet werden können.
Vorteile und Grenzen der erweiterten Mikroskopie
Im Vergleich zu anderen Mikroskopietechnologien bietet die erweiterte Mikroskopie praktische und erhebliche Kostenvorteile. Weil keine hohen Investitionen in die Ausrüstung erforderlich sind und nur ein optisches Standardmikroskop erforderlich ist, um eine hochauflösende Bildgebung zu erzielen. Der Vorbereitungsprozess für ExM ist jedoch nicht einfach und die Integrität jedes Schritts muss sichergestellt werden, da sonst die Klarheit des endgültigen Bildes beeinträchtigt werden kann.
Wenn bei bestimmten Schritten Fehler gemacht werden, können die Zellen lysieren oder sich ungleichmäßig ausdehnen, was die Bildqualität beeinträchtigt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die erweiterte Mikroskopie nicht nur die Auflösung von Bildern deutlich verbessern kann, sondern auch ein breites Anwendungspotenzial von der Grundlagenforschung bis zur klinischen Diagnose mit weitreichenden Auswirkungen bietet. Doch während wir ihre Anwendungen kontinuierlich erweitern, sollten wir auch darüber nachdenken: Wie wird die erweiterte Mikroskopietechnologie unser Verständnis und unsere Anwendung von Biologie und Medizin verändern, wenn sie ausgereifter wird?
