Kontraintuitive Defokussierungstechnik erzeugt 3D-Mikroskopbilder

Eine der großen Erfindungen der Geschichte war die Entwicklung des Mikroskops. Die Fähigkeit, die enorme Vielfalt des Lebens und der Muster in einem so kleinen Maßstab zu sehen, veränderte unser Verständnis der Welt und unsere Beziehung zu ihr.

Seitdem haben Mikroskopiker ihre Instrumente dramatisch verbessert, so dass sie nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern auch mit anderen Wellenlängen und sogar mit anderen Aufzeichnungsmedien wie Elektronen und Neutronen usw. aufnehmen.

Eine der schwierigsten Herausforderungen ist jedoch die Bestimmung der dreidimensionalen Struktur kleiner Objekte. Gesunde rote Blutkörperchen haben beispielsweise eine berühmte Donut-förmige Struktur und Veränderungen dieser Struktur sind ein wichtiger Indikator für verschiedene Krankheiten und Zustände.

Diese Formen sind leicht zu erkennen, aber die Bestimmung ihrer gesamten 3D-Struktur mit einer Auflösung von einigen hundert Nanometern ist schwierig; nicht zuletzt, weil rote Blutkörperchen weitgehend transparent und mit gewöhnlicher Hellfeldmikroskopie schwer zu erkennen sind.

Heute enthüllen Paula Roma und Kumpel von der Bundesuniversität von Minas Gerais in Brasilien eine neue und relativ einfache Methode zur Bestimmung der gesamten 3D-Struktur roter Blutkörperchen basierend auf der kontraintuitiven Technik der Defokussierung.

Biologen haben längst die Grenzen der Hellfeldmikroskopie mit biologischen Proben erkannt, da viele davon weitgehend transparent sind. (Die Hellfeldmikroskopie ist die gewöhnliche Mikroskoptechnik, auf die die meisten Leute in der High School stoßen.)

Licht scheint auf oder durch die Probe und enthüllt alles, was Licht stark absorbiert oder streut.

Das Problem ist, dass alles, was transparent ist, mehr oder weniger unsichtbar ist, weil Licht direkt durch es hindurchgeht. Und leider fallen viele biologische Proben in diese Kategorie – einschließlich der roten Blutkörperchen, die weitgehend transparent sind.

Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, das Bild leicht zu defokussieren. Da die roten Blutkörperchen einen Brechungsindex haben, biegen sie das durch sie hindurchtretende Licht. Diese Biegung führt eine Phasenänderung in das Licht ein.

Diese Phasenänderung macht es einfacher, dieses Licht von Licht zu trennen, das die Zelle nicht passiert hat. Dadurch werden die roten Blutkörperchen dunkler und besser sichtbar.

Das ermöglicht eine genauere Analyse der Zellen. Durch Messung der Intensitätsänderungen, die dieser Prozess einführt, ist es möglich, die Form der Oberfläche zu berechnen, die die Phasenänderungen erzeugt. Das ergibt ein dreidimensionales Bild der oberen Oberfläche der Zelle.

Jetzt sagen Roma und Co, dass es möglich ist, weiter zu gehen. Sie zeigen, dass man durch die Aufnahme von zwei unterschiedlich stark defokussierten Bildern der Zelle auch die Form der Zellunterseite ermitteln kann. Mit anderen Worten, diese seltsame Art von defokussiertem Stereobild gibt Ihnen die 3D-Form der gesamten Zelle.

Die Ergebnisse sind beeindruckend. Die Technik funktioniert mit gewöhnlichem weißem Licht, das jedoch gefiltert werden muss, um die roten Wellenlängen zu entfernen, die rote Blutkörperchen möglicherweise absorbieren.

Um zwei Bilder derselben Zelle zu erhalten, senden Roma und Co mit einem Strahlteiler Licht an zwei Kameras, die beide unterschiedlich stark defokussiert sind. Die Ergebnisse können dann mit einem einfachen Algorithmus verarbeitet werden, um 3D-Bilder der Zellen zu erstellen

Um die Idee zu testen, legten Roma und Co. rote Blutkörperchen in verschiedene Konzentrationen von Salzlösungen, damit sie anschwellen. Sie nahmen Bilder von 25 Zellen auf und verarbeiteten die oben gezeigten Ergebnisse.

Sie sagen, dass die Bilder eine Auflösung von innerhalb von 300 Nanometern haben, deutlich besser, als dies mit ähnlichen Techniken möglich ist. Sie zeigen insbesondere, wie die Zellen an der Oberfläche anhaften, an der sie befestigt sind.

Auch die Einrichtung ist relativ einfach. Die Technik könnte von Laien leicht übernommen werden, sagen sie.

Das ist ein interessantes Ergebnis, das zeigt, wie faszinierend kostengünstige Fortschritte in der Mikroskopie noch möglich sind.

Ref: http://arxiv.org/abs/1404.2968 : Vollständige 3D-Bildgebung von Phasenobjekten mit defokussierender Mikroskopie: Anwendung von roten Blutkörperchen

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