Das System mit dem Namen QIScope basiert auf einer hochempfindlichen Kameratechnologie, die extrem schwache Lichtsignale erkennen kann. Mit höherer Bildauflösung, einem größeren Sichtfeld und der Kompatibilität mit verschiedenen Bildgebungsverfahren eröffnet QIScope neue Möglichkeiten, lebende Systeme detaillierter und über längere Zeiträume hinweg zu untersuchen.
Biolumineszenz: Sanftes Licht für biologische Einblicke
Biolumineszenz – die durch bestimmte Enzyme in lebenden Zellen erzeugte Lichtemission – ist ein vielseitiges Werkzeug in den Lebenswissenschaften. Im Gegensatz zur Fluoreszenzbildgebung, die auf starke externe Beleuchtung angewiesen ist und dadurch Zellverhalten beeinflussen oder feine Signale überdecken kann, bietet Biolumineszenz eine schonendere Alternative für Langzeitbeobachtungen. Der Hauptnachteil besteht jedoch in der äußerst geringen Lichtintensität, die eine hochauflösende Bildgebung bislang technisch limitiert hat.
Von Teleskopen inspiriertes Design trifft auf empfindlichen Sensor
Um diese Einschränkung zu überwinden, untersuchte das Team um Dr. Jian Cui (Helmholtz Pioneer Campus Principal Investigator und TUM School of Natural Sciences Junior Fellow) den Einsatz von Quanten-Bildsensoren (Quanta Image Sensors, QIS) – einer neuen Kameratechnologie, die sich in lichtarmen Bedingungen den bislang gängigen EMCCD-Kameras als vorteilhaft erwies. Um das volle Potenzial dieser Sensoren auszuschöpfen, entwickelten die Forschenden ein maßgeschneidertes optisches System, das sich an der Konstruktion von Teleskopen orientiert – und so entstand das QIScope, ein unkonventionelles optisches System, das Merkmale von Teleskop und Mikroskop vereint. „Um die Fähigkeiten des Sensors voll auszuschöpfen, haben wir uns vom optischen Aufbau von Teleskopen inspirieren lassen“, erklärt Ruyu Ma, Erstautor der Studie und Doktorand am Helmholtz Pioneer Campus. „Durch die Kombination dieses Konzepts mit der QIS-Kamera konnten wir ein System entwickeln, das zelluläre Prozesse mit einer Klarheit und Empfindlichkeit sichtbar macht, die mit bisherigen Systemen nicht erreichbar war.“
Feinste Veränderungen in lebenden Zellen sichtbar machen
Das Forschungsteam konnte demonstrieren, dass QIScope feinste Dynamiken in lebenden Zellen über längere Zeiträume hinweg erfassen kann – etwa die Bewegung von Vesikeln oder das Verhalten von Proteinen in sehr geringer Konzentration.
„Unser Mikroskop bietet höhere Empfindlichkeit, verbesserte Auflösung, ein größeres Sichtfeld und einen höheren Dynamikbereich – alles Eigenschaften, die für anspruchsvolle Live-Cell-Imaging-Experimente essenziell sind“, sagt Studienleiter Jian Cui. Darüber hinaus werden auch weitere Bildgebungsverfahren integriert, etwa Epifluoreszenz und prinzipiell auch Phasenkontrast. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, lebende Systeme mit minimaler Störung zu beobachten – eine Grundvoraussetzung für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse.“
Ein neues Instrument zur Erforschung des Lebens in Bewegung
Indem es zentrale Einschränkungen herkömmlicher biolumineszenter Bildgebung überwindet, stellt QIScope der Forschung ein leistungsfähiges neues Instrument zur Verfügung – für die Untersuchung unterschiedlichster biologischer Systeme, von Einzelzellen bis hin zu Organoiden und Gewebemodellen.
Seine Fähigkeit, subtile und langfristige Veränderungen im Zellverhalten sichtbar zu machen, könnte Fortschritte in vielen Forschungsfeldern fördern – darunter Zellbiologie, Krankheitsmodelle und Wirkstoffentwicklung.
Publikation
Ma, Cui et al., 2025: A Telescopic Microscope Equipped with a Quanta Image Sensor for Live-Cell Bioluminescence Imaging. Nature Methods. DOI: 10.1038/s41592-025-02694-3
Weitere Informationen und Links
- TUM Junior Fellow Jian Cui https://www.professoren.tum.de/tum-junior-fellows/cui-jian
- Jian Cui's nanoPROBE Labor am Helmholtz Institut https://www.pioneercampus.org/themenmenue-links/about-us0/principal-investigators/jian-cui/index.html
Originalartikel: https://www.helmholtz-munich.de/newsroom/news/artikel/neues-mikroskop-macht-leuchtende-zellprozesse-sichtbar