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Zellen, Live und in 3-D
MIT-Forscher haben ein Mikroskop entwickelt, um dreidimensionale Filme von lebenden Zellen zu erstellen. Das Mikroskop, das wie ein zellulärer CT-Scanner funktioniert, wird es Wissenschaftlern ermöglichen, das Verhalten von Zellen in Echtzeit und mit größerer Detailgenauigkeit zu beobachten. Dieses neue Gerät überwindet einen Kompromiss zwischen Auflösung und Lebendigkeit, der die Fähigkeit der Forscher, Zellen zu untersuchen, behindert hat und zu neuen Methoden zum Screening von Medikamenten führen könnte.
Ein Blick ins Innere: Dieses Bild eines lebenden, einen Millimeter langen Wurms, aufgenommen mit einem neuen 3D-Mikroskop, zeigt deutlich innere Strukturen einschließlich des Verdauungssystems. Das Maul des Wurms befindet sich oben und das dicke rote Band ist der Rachen des Wurms.
Zellen können nicht unter einem herkömmlichen Mikroskop untersucht werden, da sie nicht sehr viel sichtbares Licht absorbieren. Das MIT-Mikroskop beruht also auf einer anderen optischen Eigenschaft von Zellen: wie sie Licht brechen. Wenn Licht eine Zelle durchdringt, ändern sich seine Richtung und Wellenlänge. Verschiedene Teile der Zelle brechen das Licht auf unterschiedliche Weise, sodass das MIT-Mikroskop die Teile in all ihren Details zeigen kann.
Michael Feld , ein Physikprofessor am MIT, der die Entwicklung des neuen Mikroskops leitete, sagt, dass andere Methoden zur Erstellung dreidimensionaler Bilder von Zellen Forschern nur erlauben, kontrollierte Artefakte zu betrachten. Um mit einem herkömmlichen Mikroskop betrachtet zu werden, müssen die Zellen mit Fixiermitteln und Farbstoffen behandelt werden und sind tot; Was auf diesen Bildern zu sehen ist, ist nicht wirklich das Aussehen einer Zelle, sagt er. Unsere Technik ermöglicht es Ihnen, Zellen in ihrem nativen Zustand ohne jegliche Vorbereitung zu untersuchen. Es kann zum Beispiel Chromosomen erfassen, die sich während der Zellteilung aufwickeln oder eine Gebärmutterhalskrebszelle, die bei Behandlung mit Essigsäure zusammenschrumpft.
Das Mikroskop erzeugt dreidimensionale Bilder, indem es viele Bilder einer Zelle aus verschiedenen Blickwinkeln kombiniert. Es dauert derzeit nur eine Zehntelsekunde, um jedes dreidimensionale Bild zu erzeugen, schnell genug, um zu sehen, wie Zellen in Echtzeit reagieren. Diese als Tomographie bezeichnete Verarbeitungstechnik wird auch für die medizinische Bildgebung bei CT-Scans verwendet, bei denen Röntgenbilder aus vielen verschiedenen Blickwinkeln zu dreidimensionalen Bildern des Körpers kombiniert werden.
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Sehen Sie sich eine dreidimensionale Darstellung einer lebenden Krebszelle an.
Aber das MIT-Mikroskop arbeitet in einem viel kleineren Maßstab als medizinische Bildgebungsgeräte. Die Forscher haben Bilder von einzelnen Zellen erstellt, darunter Gebärmutterhalskrebszellen, und von sehr kleinen Würmern, genannt C. elegans . Jeder Wurm ist nur einen Millimeter lang und besteht aus nur etwa tausend Zellen. Feld sagt, dass das Mikroskop derzeit nichts viel Größeres abbilden kann, weil dickeres Gewebe mit einer großen Anzahl von Zellen das Licht streut und ein verschwommenes Bild erzeugt. Zukünftige Versionen des Mikroskops könnten diese Einschränkung überwinden, indem sie Licht von einem einzigen Ort emittieren und erkennen; das aktuelle Mikroskop beleuchtet eine Seite der Probe und sammelt sie auf der anderen.
Mit Felds Mikroskop können Sie Zellen in ihrer natürlichen Umgebung einfangen und sehen, wie sie auf Veränderungen reagieren, sagt Maryann Fitzmaurice , außerordentlicher Professor für Pathologie an der Case Western Reserve University. Andernfalls erhalten Sie nur einen zeitlichen Schnappschuss einer Zelle. Fitzmaurice sagt, weil die Technik so neu ist, ist es nicht klar, was Forscher durch Betrachten von Refraktionsbildern über Zellen lernen werden. Es ist eine sehr grundlegende Technik mit vielen Anwendungsmöglichkeiten, sagt sie. Eine potenzielle Anwendung können Wirkstoff-Screening-Tests in lebenden Zellen sein. Forscher könnten Zellen mit einem potenziellen therapeutischen Wirkstoff dosieren und das Mikroskop verwenden, um ihre Reaktion zu beobachten.
Feld und Mitarbeiter der Harvard Medical School haben ihr Mikroskop bereits verwendet, um die Funktionsweise eines medizinischen Tests zu beleuchten. Bei gynäkologischen Untersuchungen führen Ärzte manchmal einen visuellen Test auf Gebärmutterhalskrebs durch, indem sie Essigsäure auf den Gebärmutterhals auftragen, was dazu führt, dass präkanzeröses Gewebe weiß wird. Fitzmaurice sagt, Ärzte hätten gewusst, dass dies funktioniert, aber nicht warum. Mit dem MIT-Mikroskop konnten die Forscher die Veränderungen in verschiedenen Teilen der Zelle deutlich sehen, was für das Verständnis dieses Tests sehr wertvoll ist, sagt Fitzmaurice.