Stanford-Mikroskop zeigt Zellen ohne Farbstoff

Die in Light: Science & Applications veröffentlichte Studie stammt von Michelle Küppers, Postdoktorandin im Labor von W. E. Moerner und Moerner, Professor für Chemie und zusätzlich für angewandte Physik an der Stanford University. Das Verfahren heißt interferometrische Image-Scanning-Mikroskopie, kurz iISM. Es kombiniert interferometrische Streumikroskopie (iSCAT), die nanoskalige Strukturen anhand ihrer Lichtstreuung erkennt, mit Image-Scanning-Mikroskopie (ISM) zur Verbesserung der räumlichen Auflösung.

Konventionelle Fluoreszenzbildgebung kann laut Küppers und Moerner unter Phototoxizität, begrenzter Markierungseffizienz oder einer Störung biologischer Funktionen leiden. iSCAT vermeidet Farbstoffe und genetische Marker, stößt in lebenden Zellen aber auf Speckle, die durch die kohärente Überlagerung von Streuereignissen in komplexen, heterogenen Medien entstehen.

Wie das Mikroskop ohne Farbstoffe arbeitet

Laut einer Darstellung der Stanford School of Humanities and Sciences beleuchtet bei der interferometrischen Streumikroskopie ein Laser die Zelle, deren kleine Strukturen einen Teil des Lichts streuen, während ein zweiter Laserstrahl das schwächere Streulicht verstärkt, bis es sich nachweisen lässt. Laut einem Bericht von Scientist Live ersetzt iISM dabei den einzelnen konfokalen Lochblendendetektor durch einen Arraydetektor, der an jeder Scanposition die vollständige interferometrische Punktspreizfunktion aufnimmt und viele außeraxiale Lochblenden parallel erfasst. Für die Anpassung an diese Punktspreizfunktion entwickelten Küppers und Moerner einen eigenen Algorithmus zur adaptiven Pixel-Neuzuordnung, der die parallelen Messungen zu einem rekonstruierten Bild mit verbessertem Kontrast-Rausch-Verhältnis zusammenführt. Um eine bei linear polarisiertem Licht oft anisotrope Punktspreizfunktion zu vermeiden, setzten die Autoren zudem zirkular polarisiertes Licht ein, was laut einem Übersichtsbeitrag von Liang, Ren und Xi die Rotationssymmetrie der interferometrischen Punktspreizfunktion sichert und Messartefakte verringert.

Was die Messungen zeigen

Zur Kalibrierung nutzten die Forschenden auf einem Deckglas verteilte Polystyrol-Nanopartikel von 60 Nanometern. Mit iISM und dem modifizierten Algorithmus erreichten sie eine laterale Auflösungsgrenze von 120 Nanometern ± 4 Nanometern bei einem Rauschpegel von etwa 0.008. Im selben Aufbau erreichte iISM bei gleicher einfallender Beleuchtungsleistung ein Kontrast-Rausch-Verhältnis von etwa 38, fast viermal höher als bei geschlossener und etwa dreimal höher als bei offener konfokaler Lochblende. Nach Angaben der Autoren liegt die dafür benötigte einfallende Beleuchtungsleistung je beugungsbegrenztem Lichtfleck rund 10-mal niedriger als bei konventioneller konfokaler Mikroskopie. Die Forschenden erklären, mit iISM endoplasmatisches Retikulum, Aktin-Zytoskelett, Mitochondrien und Vesikel in lebenden Zellen bei nach eigenen Worten praktisch unbegrenzten Beobachtungszeiten sichtbar machen zu können; ihre korrelativen Aufnahmen des Aktin-Zytoskeletts mit Fluoreszenz-ISM entstanden dagegen an fixierten, nicht lebenden Zellen. „Durch Parallelisierung der interferometrischen Bildgebung und eine modifizierte rechnerische Neuzuordnung gewinnt iISM sonst verworfene Informationen zurück, sodass sich Kontrast und Auflösung ohne Erhöhung der Lichtdosis verbessern lassen“, erklärte Küppers laut Scientist Live.

Im Vergleich: Vorläufertechnik

Schon 2023 hatten Küppers und weitere Forschende in Nature Communications mit konfokal betriebenem iSCAT ein früheres Verfahren vorgestellt, für das bei einer Wellenlänge von 445 Nanometern eine theoretische Auflösungsgrenze von 152 Nanometern nach Abbes Formel galt. An einer HeLa-Zelle lokalisierten sie die basale Kernhülle mit dieser Technik lateral auf 180 Nanometer genau. Zwei künstliche Chrom-Nanopfeiler im Abstand von 130 Nanometern ließen sich dabei bei einer engen Lochblendeneinstellung von 0.3 AU klar trennen, während eine Einstellung von 1.2 AU damit Schwierigkeiten hatte. Eine im Oktober 2023 veröffentlichte Roadmap zur markerfreien Superauflösungsbildgebung beschreibt das breitere Forschungsfeld markerfreier Superauflösung. Die Autoren der iISM-Studie räumen selbst ein, dass eine vollständige theoretische Beschreibung der interferometrischen Punktspreizfunktion über den Umfang ihrer Arbeit hinausgeht. Ein Bericht von ScienceDaily beruht nach eigener Angabe auf von der Stanford University bereitgestelltem Material. Laut SciTechDaily erreicht iISM zudem nicht die Auflösung mancher hoch spezialisierten Mikroskope; Erstautorin Küppers plädiert für eine ergänzende Nutzung mit der Fluoreszenzmikroskopie: Fluoreszenz liefere molekulare Spezifität, iISM dagegen markerfreien Kontext und Dynamikbeobachtung.

Moerners nächstes Ziel laut Bericht vom 2. April 2026: schnellere Aufnahmen

„Unser nächstes Ziel ist es, iISM in Richtung schnellerer Dynamiken weiterzuentwickeln und durch eine höhere Aufnahmegeschwindigkeit sowie breitere Zugänglichkeit eine weite Verbreitung zu ermöglichen“, sagte Moerner laut Scientist Live. Laut einem Bericht von ScienceDaily vom 16. Oktober 2026 arbeiten Moerner und Küppers daran, das Instrument weiterzuentwickeln, mit dem Ziel, es künftig Forschenden aus vielen Bereichen der Biologie zugänglich zu machen. Laut SciTechDaily liefen zum Berichtsstand vom 31. Mai 2026 bereits drei Kooperationen mit anderen Stanford-Forschungsgruppen: eine zu Wechselwirkungen zwischen Pflanzenzellen, Pilzen und Bakterien, eine zum Eindringen eines Krebsmedikaments in eine Zelle sowie ein noch geplantes Projekt zu Formveränderungen roter Blutkörperchen bei einer Malariainfektion. Die Forschung wurde laut Stanford-Universität vom US-amerikanischen National Institute of General Medical Sciences unterstützt.