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Sichtbar mehr Bewegung: Forschende aus dem Ruhrgebiet entwickeln neues Mikroskop f√ľr Immunzellen

Immunzellen bek√§mpfen beispielsweise Infektionserreger oder suchen nach sich entwickelnden Krebserkrankungen. Dazu wandern sie permanent durch die Gewebe unseres K√∂rpers. Am falschen Ort jedoch k√∂nnen Immunzellen wie Neutrophile Granulozyten auch Sch√§den anrichten: Infiltrieren diese wei√üen Blutk√∂rperchen Tumoren, verschlechtert das h√§ufig die Prognose f√ľr Patient:innen. Betroffene k√∂nnten daher von Arzneimitteln profitieren, die das Einwandern von Neutrophilen in Tumoren verhindern. Bisher lie√ü sich dieses Migrationsverhalten nur mit herk√∂mmlicher Videomikroskopie untersuchen. Mit dieser Technik beobachtet ein einzelnes Objektiv die Bewegung von Zellen unter dem Mikroskop ‚Äď eine Probe nach der anderen, der Reihe nach. Forschende der Universit√§t Duisburg-Essen (UDE) und des Leibniz-Instituts f√ľr Analytische Wissenschaften (ISAS) haben nun ein Mikroskop f√ľr die Hochdurchsatzanalyse von Arzneimittelsubstanzen entwickelt. Damit k√∂nnen sie 64 und k√ľnftig 384 Proben gleichzeitig untersuchen. Ihr Mikroskop ComplexEye (dt. Facettenauge oder Komplexauge) haben sie nun in Nature Communications vorgestellt. ‚ÄěWenn man w√ľsste, wie sich Neutrophile steuern lassen, w√ľrden sich viele Erkrankungen besser behandeln lassen‚Äú, sagt Prof. Dr. Matthias Gunzer, Direktor am Institut f√ľr Experimentelle Immunologie und Bildgebung (UDE) sowie Leiter der Abteilung Biospektroskopie am ISAS. Aber um solche Forschungsarbeiten voranzutreiben, fehlte es bisher an Untersuchungsmethoden, vor allem f√ľr die kleinen, schnell wandernden Immunzellen. Gunzer und seine Co-Autor:innen konnten nun mit der Technik des ComplexEye das Tempo bei der Migrationsanalyse drastisch erh√∂hen.

60-mal schneller als herkömmliche Mikroskope

‚ÄěWir konnten in unseren Testl√§ufen die Proben rund 60-mal schneller untersuchen als es mit herk√∂mmlicher Videomikroskopie m√∂glich gewesen w√§re‚Äú, erkl√§ren die beiden Erstautorinnen Z√ľlal Cibir und Jaqueline Hassel (UDE). Um den Einfluss existierender Arzneimittelwirkstoffe auf die Migration von Neutrophilen zu untersuchen, haben die Essener Forschenden rund 1.000 Wirkstoffe aus einer Substanzbibliothek des Lead Discovery Centers Dortmund getestet. F√ľr die anschlie√üende Analyse programmierten die KI-Expert:innen am ISAS eine passgenaue Software. Mithilfe des KI-unterst√ľtzten ComplexEye-Systems identifizierten die Forschenden dann innerhalb von nur vier Tagen 17 Substanzen, die die Beweglichkeit der humanen Neutrophilen stark beeinflussen k√∂nnen.

ComplexEye: weitere Diagnoseverfahren möglich

Zun√§chst sind die Erkenntnisse von grundlagenwissenschaftlichem Wert, aber die Forschenden hoffen, dass sich hieraus viele neue therapeutische M√∂glichkeiten ergeben. ‚ÄěMit einigen kleineren Anpassungen l√§sst sich das ComplexEye auch f√ľr andere Zellen anwenden, um beispielsweise Krankheitsverl√§ufe zu beobachten und dabei Fr√ľhwarnzeichen f√ľr eine Verschlimmerung von Infektionen wie drohende Blutvergiftungen zu erkennen‚Äú, so Immunologe Gunzer.

√úber das ComplexEye

Um das ComplexEye zu entwickeln, haben Wissenschaftler:innen der Medizinischen Fakult√§t, der Elektro- und Informationstechnik der UDE und des Dortmunder ISAS eng zusammengearbeitet. ‚ÄěDie Herausforderung war, miniaturisierte Mikroskope zu bauen, beweglich zu machen und so dicht zu einem System zusammenzuf√ľgen, dass sie Videos von jeder einzelnen der 384 Kammern einer Well-Platte, einer g√§ngigen Untersuchungskassette, aufnehmen k√∂nnen‚Äú, sagt Dr. Reinhard Viga aus dem Fachgebiet Elektronische Bauelemente und Schaltungen der UDE. Der Elektroingenieur leitete den technischen Aufbau des neuen Mikroskops. Wie das Facettenauge einer Fliege bewegt sich das ComplexEye unter der Well-Platte und macht gleichzeitig mit allen Linsen Aufnahmen im Abstand von acht Sekunden. Diese Aufnahmen f√ľgen die Forschenden anschlie√üend zu einem Zeitraffer-Video zusammen. Die in diesen Videos sichtbaren wandernden Zellen verfolgen (‚Äětracken‚Äú) die Forschenden anschlie√üend mithilfe von KI. In Zukunft soll das ComplexEye um weitere Linsen erweitert werden, sodass noch mehr Aufnahmen m√∂glich werden.

Link zur Originalveröffentlichung in Nature Communications: ComplexEye: a multi-lens array microscope for high-throughput embedded immune cell migration analysis

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