Open Science

Neues Zürcher Mikroskop macht Schule

Das perfekte Mikroskop ab Stange gabs nicht, also entwickelte der Neurowissenschaftler Fabian Voigt das benötigte Gerät gleich selbst. Unterdessen fragen Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach dem speziellen Lichtscheiben-Mikroskop (mesoSPIM) nach.

Stefan Stöcklin

Fabian Voigt Porträt
Fabian Voigt Porträt
«Die Lichtscheibenmikroskopie ist schon fast eine Kunstfertigkeit», sagt Fabian Voigt, Entwickler des Mikroskops. (Bild: Fabio Schönholzer)

Die erfolgreiche Entwicklungsgeschichte begann mit einer Anfrage aus dem Labor von Adriano Aguzzi: Vor gut vier Jahren fragte der Neuropathologe beim Labor von Neurowissenschaftler Fritjof Helmchen nach, ob es möglich wäre, grössere Gewebe im Lichtscheibenverfahren zu mikroskopieren. Bei dieser Technik scannt ein fokussierter Laserstrahl in optischen Schnitten das durchsichtig gemachte Gewebe. Dadurch kann die drei-dimensionale räumliche Struktur innerhalb der Probe rekonstruiert werden, zum Beispiel Netzwerke von Nervenzellen oder Blutgefässe.

Doktorand Fabian Voigt, der sich in Helmchens Labor mit dieser Mikroskopiertechnik beschäftigte, machte sich an die Arbeit und prüfte kommerzielle Geräte hinsichtlich der verlangten Erfordernisse. Gesucht war ein Gerät, das fingergrosse Proben innert kurzer Zeit (wenigen Minuten) in genügend grosser Auflösung bearbeiten konnte. Keines der verfügbaren Mikroskope befriedigte die Forscher, insbesondere da sie deutlich länger brauchten. Also entschieden Voigt und seine Kollegen, ein eigenes Gerät aus käuflichen Einzelteilen zusammenzubauen.

Aufwendige Aufbereitung

«Die Herausforderung bestand in der Konfiguration des Lichtstrahls rsp. der Lichtscheibe auf das relativ grosse Volumen der Probe», sagt Voigt, der Physik und Neurowissenschaften studiert hat und unterdessen als Postdoc in Helmchens Labor arbeitet. Intensität, Tempo und Modus der Laser-Scantechnik müssen stimmen, damit ein Abbild von genügender Auflösung entsteht.

Dabei ist schon die Aufbereitung der Probe eine Wissenschaft für sich. Damit das Licht nicht gestreut wird, müssen die Fettmoleküle entfernt werden. Diese Clearing-Techniken haben in den letzten Jahren grosse Fortschritte gemacht und waren wichtige Voraussetzung zur Nutzung der neuen Lichtscheibenmikroskopie in den Life Sciences. Um überhaupt ein Bild zu erhalten, müssen schliesslich auch die Zielstrukturen mit fluoreszierenden Molekülen gekennzeichnet werden.

gefässsystem
gefässsystem
Gefässe eines Mausgehirns, abgebildet durch das mesoSPIM. (Bild: mesospim.org)

«Die Lichtscheibenmikroskopie ist schon fast eine Kunstfertigkeit», sagt Voigt. Entsprechend tüftelte er längere Zeit, bis die Komponenten des Prototyps im Institut für Hirnforschung aufeinander abgestimmt waren und Hardware und Software funktionierten.

Schliesslich passte alles zusammen und komplette Mausgehirne konnten innert acht Minuten mit dem «mesoscale selective plane illumination microscope», so der wissenschaftliche Namen des Verfahrens, kurz «mesoSPIM», erfasst werden. Einen zweiten Prototyp baute Voigt zusammen mit Daniel Kirschenbaum im Labor von Adriano Aguzzi auf.

Nachfrage in der Community

Die erfolgreiche Entwicklungsstory verbreitete sich rasch und aussenstehende Institute fragten an der UZH nach. Die erste Anfrage kam vom Wyss Center der Universität Genf und der EPFL. Dort steht unterdessen ein weiteres Gerät. «In diesem Moment entschieden wir uns, die Details zum Verfahren auf einer Website öffentlich zu machen und die Arbeit in einer Fachzeitschrift zu publizieren», sagt Voigt. In einer Publikation im renommierten «Nature Methods» sind die Details seit heute nachzulesen.

Auf der Website mesospim.org sind Entwicklungsgeschichte, Anwendungsbereiche, technische Details und natürlich die Bilder der Mikroskope dokumentiert. Nachzulesen sind auch die Details der insgesamt sieben Geräte, die unterdessen in Betrieb sind. Voigt ist fasziniert von der Technik, die es erlaubt, innert kurzer Zeit biologisches Gewebe «optisch zu zerlegen» und unbekannte Strukturen darzustellen. Sie ist Ausdruck eines Booms neuer Mikroskopiertechniken, mit denen die Wissenschaftler mit immer besserer Auflösung immer tiefer ins Gewebe eindringen.

Open Science

Die mesoSPIM-Initiative ist aber auch bestes Beispiel für die freie Zusammenarbeit in der Wissenschaft, die unter dem Label Open Science propagiert wird. Voigt: «Die Wissenschaft kommt schneller voran, wenn wir Techniken und Daten teilen und uns untereinander austauschen.»

mikroskop
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Ein mesoSPIM (mesoscale selective plane illumination microscope), im Zentrum die Gewebeprobe. (Bild: Wyss Center Genf)

Stefan Stöcklin, Redaktor UZH News

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