Die Mikroskopie mit Glaslinsen und Licht ist seit Jahrhunderten ein Eckpfeiler der Laborforschung. Obwohl leistungsstärkere Geräte wie Elektronenmikroskope vorhanden sind, sind ihre hohen Kosten und Wartungsanforderungen für die meisten Labore nicht praktikabel. Als Ergebnis sind konfokale Mikroskope, die Licht und Linsen verwenden, um die Größe von Objekten zu vergrößern, die bevorzugte Option für viele Forscher. Diese Mikroskope haben jedoch Einschränkungen in Bezug auf die Auflösung von Objekten, die nahe der Wellenlänge des verwendeten Lichts liegen, was zu Bildverzerrungen durch Beugung führt.

Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Viren befinden sich in diesem Größenbereich, was eine Herausforderung für Mikrobiologen und Pathologen darstellt, die sie untersuchen und diagnostizieren wollen. Um diese Hindernisse zu überwinden, ist in den letzten acht Jahren die Expansionsmikroskopie-Technik entstanden, die die Auflösung herkömmlicher Mikroskope durch die Vergrößerung der beobachteten Mikroben verbessert.

Die Expansionsmikroskopie verwendet einen polyelektrolytischen Hydrogel, um die Proben zu erweitern. Diese Gele sind stark saugfähig und schwellen an, wenn Wasser hinzugefügt wird. Die Proben, einschließlich spezifischer Biomoleküle wie Proteinen, werden an diese Gelmatrix gebunden. Wenn das Gel anschwillt, dehnen sich die Proben um das bis zu Vierfache aus und beseitigen die durch Beugung verursachte Verzerrung.

Die Expansionsmikroskopie stößt jedoch auf Schwierigkeiten, um eine gleichmäßige Ausdehnung der Proben zu gewährleisten. Die Vorhandensein von Zellwänden bei vielen Mikroben behindert die Expansion, und es sind spezifische Ankerungsschritte für jedes Biomolekül erforderlich, was den Prozess arbeitsintensiv und einschränkend in Bezug auf die Art der expandierbaren Proben macht.

Im Juni 2023 entwickelte ein Team von Biotechnologieforschern unter der Leitung von Yongxin Zhao an der Universität Carnegie Mellon eine neue Expansionsmikroskopie-Plattform namens µMagnify. Diese Plattform verwendet ein Hydrogel, das Biomoleküle universell in der gesamten Gelmatrix bindet, was zu einer gleichmäßigeren Expansion der Proben führt und die Vielfalt der beobachtbaren Organismen und Gewebe erweitert. Es blieben jedoch zwei Herausforderungen bestehen: das Problem der Zellwand und die Fähigkeit, spezifische Strukturen zu markieren und zu identifizieren.

Um das Problem der Zellwand zu adressieren, kombinierten die Forscher die Wärmebehandlung mit einer Mischung aus zellwandverdauenden Enzymen, was zu einer erfolgreichen Expansion einer Vielzahl von Pathogenen und infizierten Geweben führte, einschließlich robuster bakterieller und pilzartiger Biofilme.

Die andere Herausforderung besteht darin, Proteine zur Identifizierung von Strukturen oder Schlüsselproteinen innerhalb der beobachteten Zellen zu markieren. Die Fluoreszenzmarkierung wird häufig verwendet, ermöglicht aber traditionell nur eine begrenzte Anzahl von Farben aufgrund überlappender Wellenlängen. Das Team von Zhao entwickelte jedoch einen Ansatz zum Waschen und Wiederholen, der mehrere Runden der Markierung in einer einzigen Probe ermöglicht. In Kombination mit der verbesserten Bildvergrößerung ermöglicht dies die Visualisierung mehrerer Proteininteraktionen und -strukturen in 3D.

Das µMagnify-System bietet eine kostengünstige und einfache Lösung zur Verbesserung von Leistung und Vielseitigkeit bestehender konfokaler Mikroskope. Mit geschätzten Kosten von 10 US-Dollar pro Probe können Labore auf der ganzen Welt diese Technik übernehmen. In Regionen mit begrenzten Ressourcen und hoher Prävalenz mikrobieller Krankheitserreger wie sub-saharisches Afrika und Südostasien hat das System ein großes Potenzial. Die Forscher haben sogar ein Virtual-Reality-Programm namens ExMicroVR zur Datenvisualisierung entwickelt, das die kollaborative Forschung zwischen mehreren Forschern an derselben Probe erleichtert.

Quelle: Yongxin Zhao et al., Advanced Science