Wie arbeiten Zellen im Organismus zusammen, wie verändern sie sich? Um dies zu beobachten, brauchen Forschende Mikroskope, die tiefe Einblicke ins Gewebe gewähren und dabei schnell und schonend arbeiten. Im Verbundprojekt „UTOPI3“ entwickelt die Hochschule Emden/Leer gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover (LUH), die die Projektleitung innehat, und dem Laser Zentrum Hannover (LZH) ein solches Mikroskop und schöpft dabei aus dem Vollen: Das hochschuleigene Institut für Laser und Optik (ILO) bringt seine umfassende Erfahrung und hochkarätige Ausstattung im Bereich der optischen Mikroskopie und Messtechnik ein. 

In den Biowissenschaften gehören Laser-Mikroskope zum Standard. Sie tasten eine Probe Punkt für Punkt mit Laserlicht ab und setzen die Messwerte zu einem dreidimensionalen Bild zusammen. Häufig kommt dabei die Zwei-Photonen-Mikroskopie zum Einsatz, bei der das Licht nur im kleinen Brennpunkt Farbstoffe zum Leuchten bringt. Das schont die Probe, hat aber Grenzen: Je tiefer man ins Gewebe blickt, desto mehr streut das Licht und desto unschärfer wird das Bild. Außerdem dauert das punktweise Abtasten für schnelle Vorgänge in Zellen oft zu lange. In tiefen Gewebeschichten kann das langsame Scannen die Probe sogar erwärmen und schädigen.

UTOPI3 setzt deshalb auf die Drei-Photonen-Mikroskopie. Sie grenzt den Leuchtpunkt noch schärfer ein und nutzt Licht mit besonders langer Wellenlänge von 1840 Nanometern. Langwelliges Licht wird im Gewebe weniger gestreut und kann deshalb weiter vordringen. Die Eindringtiefe soll sich dadurch etwa verdoppeln. Passende Laser dafür gibt es bislang kaum zu kaufen. Das LZH entwickelt deshalb einen so genannten Faserlaser, der extrem kurze Lichtpulse erzeugt. Er soll kompakt, robust und kostengünstig sein, damit auch kleinere Labore ihn nutzen können.

Das Team um Prof. Dr. Walter Neu, Direktor des ILO, und Prof. Dr. Martin Silies von der Hochschule Emden/Leer steuert zwei Schlüsseltechnologien zum Projekt bei. Beteiligt sind die Arbeitsgruppen „Laser in der Medizin, Mikroskopie und Analytik“ (LIMMA) und „Optoelektronik“ des Fachbereichs Technik. Bereits vor einigen Jahren wurde in der AG LIMMA ein Mikroskop entwickelt, das mit winzigen, elektrisch steuerbaren Spiegeln (sogenannten MEMS - Micro-Electro-Mechanical System) arbeitet. Es tastet viele Punkte gleichzeitig ab, statt nur einen nach dem anderen. Die Probe wird dadurch deutlich kürzer belichtet. Die Scanmuster lassen sich außerdem auf die Probe anpassen: So können empfindliche Bereiche geschont oder bewegte Strukturen innerhalb einer Zelle verfolgt werden. Das Verfahren ist durch zwei internationale Patente geschützt. In UTOPI3 wird es erstmals für die Drei-Photonen-Mikroskopie weiterentwickelt.

Die zweite Herausforderung für das Team der Hochschule Emden/Leer liegt in der Visualisierung: Um Strukturen sichtbar zu machen, werden üblicherweise Farbstoffe eingesetzt. Die Wissenschaftler der Hochschule untersuchen, ob sich stattdessen winzige Metallpartikel, sogenannte plasmonische Kontrastmarker, für die Drei-Photonen-Mikroskopie eignen. Sie werden in der Arbeitsgruppe Optoelektronik mit lithografischen Verfahren hergestellt und erzeugen sehr lokal begrenzte Lichtsignale. In der Zwei-Photonen-Mikroskopie werden sie bereits eingesetzt.

Parallel baut die LUH eine Weitfeld-Variante auf, die das gesamte Bildfeld auf einmal beleuchtet und damit besonders schnell ist. In der zweiten Projekthälfte werden beide Verfahren mit dem neuen Laser zusammengeführt und verglichen. Die LUH untersucht außerdem, ob und wie stark die Bildgebung Zellen belastet, und testet Anwendungen, etwa an Organoiden mit bis zu einem halben Millimeter Größe. 

Schon während der Entwicklung binden die Partner Forschende aus der Organoid- und Neurobiologie ein, die das System im Laboralltag testen. Auch medizinische Anwendungen wie die Hautdiagnostik sind als Ausblick denkbar. Das LZH baut den Laser gemeinsam mit VALO Innovations zu einem mobilen Demonstrator aus, der auch in anderen Laboren zum Einsatz kommen kann. Das Mikroskop soll sich zudem leicht an Standardgeräte anschließen lassen und neben Fluoreszenz- auch Dunkelfeld- und Phasenkontrastaufnahmen ermöglichen.