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Das Wunder der Expansionsmikroskopie: Wie macht man Zellen größer und klarer?
Im Kontext der heutigen rasanten Entwicklung der Biowissenschaften hat sich die Expansionsmikroskopie (Expansion Microscopy, ExM) zu einer aufstrebenden Technologie entwickelt, die beispiellose Möglichkeiten zur Untersuchung zellulärer und molekularer Strukturen bietet. Der Kern dieser Technologie besteht darin, biologische Proben durch Wasserexpansion zu verstärken, sodass kleine biologische Strukturen auch unter gewöhnlichen optischen Mikroskopen klar beobachtet werden können, wodurch die Abhängigkeit von Hochleistungsmikroskopiegeräten verringert wird.
Prinzip
Das Grundprinzip der Erweiterungsmikroskopie besteht darin, ein Polymernetzwerk in eine Probe einzuführen und dieses Netzwerk dann mithilfe chemischer Reaktionen physikalisch zu erweitern und so die Größe der Probe zu erhöhen. Dieser Prozess verbessert nicht nur die Bildauflösung, sondern ermöglicht auch die Färbung spezifischer Moleküle oder Proteine, um deren Verteilung in Zellen weiter zu analysieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektronenmikroskopen ist für ExM keine teure Ausrüstung erforderlich, sodass sich immer mehr Forscher an der Untersuchung winziger Strukturen beteiligen können.
Schritte
Die Expansionsmikroskopie umfasst mehrere Schritte, hauptsächlich Färben, Verknüpfen, Aufschluss und Expansion. Der Erfolg dieser Schritte wirkt sich direkt auf die Klarheit des Endergebnisses aus. Zunächst färben die Forscher die Probe, um sicherzustellen, dass sich die verwendete Fluoreszenzmarkierung an das nachfolgende Polymer binden kann. Anschließend wird ein Polymergel in die Zellen eingebunden, in dem die Fluoreszenzmarkierung immobilisiert ist. Während des Verdauungsschritts muss darauf geachtet werden, dass sich die Probe während der Expansion nicht gleichmäßig ausdehnt. Schließlich ermöglicht die Gesamtausdehnung der Probe eine Verstärkung der verknüpften fluoreszierenden Markierungen, wodurch eine höhere Auflösung erreicht wird.
Historischer Hintergrund
Die erweiterte Mikroskopietechnologie wurde erstmals 2015 von Fei Chen, Paul W. Tillberg und Edward Boyden vom MIT vorgeschlagen. Seitdem hat sich der Anwendungsbereich von ExM schrittweise erweitert. Im Laufe der Zeit haben Forscher weiterhin nach Verbesserungen dieser Technologie gesucht, die die herkömmlichen Einschränkungen der markierten Sonden beseitigen und mehr Anwendungen für biologische Proben eingeführt haben.
„Das Aufkommen erweiterter Mikroskope hat Forschern im biomedizinischen Bereich neue Analysemethoden zur Verfügung gestellt, sodass nanoskalige biologische Strukturen kein unerreichbarer Traum mehr sind.“
Anwendungsfelder
Erweiterte Mikroskope werden in der biomedizinischen Forschung häufig eingesetzt, insbesondere in der Krankheitsdiagnose, den Neurowissenschaften und anderen Bereichen. Bisher stützte sich die Untersuchung vieler Zellstrukturen auf herkömmliche Techniken der beugungsbegrenzten Mikroskopie. Mithilfe von ExM können Forscher jedoch wichtige Biomoleküle in Zellen mit höherer Auflösung untersuchen und die Entwicklung von Krankheitspathologien fördern.
Vorteile und Einschränkungen
Ein Vorteil der erweiterten Mikroskopie besteht darin, dass keine teure Elektronenmikroskopieausrüstung erforderlich ist. Dies ist zweifellos ein Segen für viele Forschungseinrichtungen mit begrenzten Mitteln. Allerdings ist diese Technik nicht ohne Mängel. Fehler bei jedem Vorbereitungsschritt können zu Bildverzerrungen oder Zellschäden führen. Darüber hinaus schränkt das Deaktivierungsproblem fluoreszierender Markierungen auch die breite Anwendung von ExM ein.
Zukunftsaussichten
Die erweiterte Mikroskopietechnologie befindet sich noch in der Entwicklung und könnte in Zukunft größere Durchbrüche in den Bereichen Pathologie, klinische Diagnose und Neurowissenschaften erzielen. Da sich die Technologie weiter verbessert, wird von Wissenschaftlern erwartet, dass sie immer raffiniertere biologische Strukturen entdecken, die bei der Entwicklung und Behandlung von Krankheiten hilfreich sind. Wird es unter solchen Umständen weitere Geheimnisse der mikroskopischen Welt geben, die darauf warten, von uns erkundet zu werden?
