Laser-Mikroskop für die Untersuchung der Elastizität von Zellen unter Nutzung der stimulierten Wechselwirkung von akustischen und optischen Wellen
Die mechanischen Eigenschaften von biologischen Zellen sind eng mit ihren funktionalen Fähigkeiten verwandt und sie werden daher zunehmend als Schlüssel zum Verständnis vieler grundlegender Aspekte der Biologie sowie der Entstehung von Krankheiten betrachtet. Gleichzeitig sind die mechanischen Eigenschaften wie die Elastizität auch wirksame Marker für Krankheiten, wodurch eine leistungsfähige Diagnostik beispielsweise für die Onkologie zur Verfügung gestellt werden kann. Mit Rasterkraftmikroskopen kann die Elastizität zwar mit subzellulärer Auflösung erfasst werden, es ist aber ein Kontakt und die Präparation des Gewebes erforderlich. Um diese Beschränkungen zu überwinden, wird mit diesem Vorhaben der Paradigmenwechsel von taktilen zu optischen Methoden verfolgt. Brillouin-Streuung, die auf der Wechselwirkung von akustischen Phononen und Photonen beruht, erlaubt berührungslose, markierungsfreie, dreidimensionale In-vivo-Messungen der Elastizität. Bisher wurde spontane Brillouin-Streuung genutzt, die aufgrund des geringen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) aber große Mittelungszeiten benötigt.
Im Rahmen des Förderprogramms „Neue Geräte für die Forschung“ wird ein Laser-Mikroskop basierend auf der Nutzung von stimulierter Brillouin-Streuung aufgebaut und eruiert, womit das SNR und damit die Messgeschwindigkeit deutlich gesteigert werden soll. Das Ziel des stark interdisziplinären Ansatzes besteht im Aufbau, der Untersuchung und der Validierung eines stimulierten Brillouin-Laser-Mikroskops mit den Methoden der Systemtechnik sowie der Realisierung eines Demonstrators, welcher später in Biologie und Medizin eingesetzt werden soll. Die Validierung des Messprinzips wird unter anderem mit Referenzmessungen in der Biomechanik vorgenommen. Neue Untersuchungsmöglichkeiten mit spatiotemporalen Korrelationen der Elastizität von Zellen sollen am Beispiel der Durchfluss-Zytometrie von Blutzellen eruiert werden.
Das stimulierte Brillouin-Laser-Mikroskop für die hochaufgelöste Untersuchung der Elastizität ermöglicht als ein völlig neuartiger, berührungsfreier Messansatz ein weites Spektrum von Einsatzmöglichkeiten in der biomedizinischen Grundlagenforschung, die von der biomechanischen Bildgebung von adhärenten Zellen, Durchfluss-Zytometrie über die Onkologie bis zu fundamentalen Fragestellungen zur Physik des Lebens reichen.
Symbolbild „Fühlen mit Licht“ © Benedikt Krug
Kreuzungsstelle der Anregestrahlen in der Probe © Benedikt Krug
Bearbeiter: B. Krug, N. Koukourakis, J. Czarske
Zeitraum: 04/19 - 03/22
Partner: Partner: BIOTEC, Dresden, Prof. Jochen Guck