Salzkrebse unter dem Incubascope
Das Repertoire an lichtbasierten Visualisierungstechniken ist fast nicht mehr zu überblicken. Es reicht von der klassischen Durchlicht-Mikroskopie über Epifluoreszenz- und Konfokal-Mikroskopie bis zur Zwei-Photonen- sowie superauflösenden Mikroskopie. Proben mit Licht zu untersuchen, hat viele Vorteile: Die Licht-Belastung ist relativ gering. Hinzu kommt eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung über mehrere Größenordnungen, von der Mikrometer- bis zur Zentimeterebene.
In den letzten Jahren wurden zudem etliche lichtbasierte Systeme entwickelt, mit denen Wissenschaftler lebende Proben oder Organismen untersuchen können. Doch ungeachtet aller Fortschritte bei diesen Live-Cell-Imaging-Techniken existieren auch einige Einschränkungen – insbesondere wenn eine Probe über lange Zeit, also Tage oder Wochen, untersucht werden soll. Dann kann die tagelange Bestrahlung mit dem meist üblichen Fluoreszenzlicht toxisch wirken. Außerdem arbeiten die meisten Live-Cell-Imaging-Mikroskope mit Inkubatorkammern, die das Mikroskop von außen umschließen. Für einige Tage können diese die natürliche zelluläre Umgebung gut nachbilden – dauert das Experiment jedoch länger, tauchen Probleme auf. Zu diesen gehören zum Beispiel konstante Gas- und Temperaturlevel sowie die Sterilität der Proben, die meist nur mit Zellkultur-Inkubatoren aufrechterhalten werden können.
Utopische Nutzungsdauer
Ein zusätzliches Problem ist die Logistik. Die meisten Mikroskope, die Langzeit-Beobachtungen von lebenden Proben zulassen, stehen in zentralen Abteilungen beziehungsweise Facilities. Oft teilen sich mehrere Arbeitsgruppen oder sogar Institute eine Mikroskop-Facility, wodurch Nutzungsdauern von mehreren Tagen oder Wochen oft utopisch sind. So lange Zeiträume sind aber zwingend nötig, um langsame biologische Prozesse durchgehend begleiten zu können.
Gaëlle Rechers Team an der Université de Bordeaux hat ein Mikroskopie-System konstruiert, das einige dieser Probleme löst und sich günstig nachbauen lässt. Das sogenannte Incubascope der Franzosen ist kompakt, ermöglicht Hellfeld- sowie Fluoreszenz-Mikroskopie und besticht durch Anwenderfreundlichkeit sowie geringe Kosten und frei zugängliche Software-Codes. Der eigentlich Clou ist aber, dass das Incubascope in jeden handelsüblichen Zellkultur-Inkubator passt. Die untersuchten Zellen profitieren dadurch von stabilen Umweltbedingungen, die im stationären Inkubator viel eher erreicht werden, als in mobilen Inkubatorkammern.
Auf engem Raum
Die einzelnen Komponenten des Incubascopes sind möglichst platzsparend angeordnet, schließlich ist der Raum im Inkubator begrenzt. So platzierte das Team etwa das Objektiv kurzerhand horizontal, um Platz zu sparen. Das Objektiv kombiniert ein Sichtfeld von 5,5 x 8 Quadratmillimetern mit einer Arbeitsdistanz von 56 Millimetern – das ist besonders praktisch für die Arbeit mit größeren Lebendpräparaten. Die Auflösung bleibt aber dennoch nicht auf der Strecke. Sie beträgt lateral 2,4 Mikrometer und liegt damit im subzellulären Bereich, was für die allermeisten In-vivo-Langzeitstudien mehr als genug sein dürfte.
Die französischen Wissenschaftler testeten ihre Neuentwicklung mit unterschiedlichen Versuchsobjekten. Zunächst beobachten sie, wie Salzkrebse (Artemia salina) über mehrere Tage schlüpften und sich anschließend schwimmend fortbewegten (siehe Bild). Das Mikroskop musste in diesem Fall dynamische Prozesse über lange Zeiträume aufnehmen. Die Daten können hierzu im tiff- sowie hdf5-Format abgespeichert werden, wobei letzteres insbesondere für große Datenmengen attraktiv ist. Das hdf5-Format erlaubt zudem, einzelne Bilder eines Langzeit-Experiments ohne viel Rechenarbeit zu öffnen, während dieses noch läuft.
Offene Kommunikation
Die Forscher nutzten das Incubascope auch für die Beobachtung von Sphäroiden aus HEK293-Zellen. Das Mikroskop detektierte die HEK293-Zellen, die ein GFP-Reportergen exprimierten, sowohl im Hellfeld- als auch im Fluoreszenz-Modus mit einer bemerkenswerten Auflösung.
Die Autoren des Preprints betonen ausdrücklich, dass sie die Incubascope-Technologie mit der Wissenschaftsgemeinde teilen wollen. Folglich ist der Quellcode des Systems in der frei zugänglichen und weit verbreiteten Programmiersprache Python verfasst. Diese regelt die Kommunikation mit der elektronischen Steuerungseinheit des Incubascopes sowie der Kamera im Inkubator. Für Forscher, deren Programmierkurs schon etwas weiter zurückliegt, entwickelten die Franzosen zudem ein anwenderfreundliches Interface. Der Quellcode ist außerdem auf der Open-Source-Plattform GitHub hinterlegt (https://github.com/BiOflab/Incubascope.git). Die kostenfreie Software wirkt sich nicht zuletzt auch positiv auf den Gesamtpreis des Incubascope von etwa 5.500 Euro aus. Spätestens jetzt dürften wohl viele potentielle Anwender neugierig geworden sein.
Michael Bell
Badon A. et al. (2021): The Incubascope : a simple, compact and large field of view microscope for long-term imaging inside an incubator. BioRxiv, DOI: 10.1101/2021.09.21.461183
Bild: Badon et al. (eingefärbt)
