3D-SIM-Mikroskop

Vergleich des Auflösungsvermögens konfokaler Laser-Scanning- (oben) und 3D-SIM Mikroskopie (unten). Zellkernporen (anti-NPC, rot), Zellkernhülle (anti-Lamin B, grün), sowie DNA verpackt in Chromatin (DAPI, blau) wurden in einer Mauszelle simultan angefärbt. Der Maßstabsbalken entspricht 1 µm.

Das 3D-SIM-Mikroskop (engl. 3D Structured Illumination Microscope) realisiert eine weiterentwickelte Form der Lichtmikroskopie, die Auflösungen jenseits der von Ernst Abbe beschriebenen optischen Auflösungsgrenze ermöglicht. Das Konzept der 3D-SIM-Mikroskopie wurde erstmals von Lukosz and Marchand 1963 vorgestellt^[1][2] und von einem Team um Mats G. L. Gustafsson und John W. Sedat an der University of California, San Francisco weiter entwickelt.^[3] Kommerzielle Versionen werden von Applied Precision als „OMX“^[4], von Carl Zeiss als „ELYRA S.1 bzw. PS.1“^[5], sowie von Nikon als „N-SIM“^[6] angeboten.

Funktionsprinzip

Die 3D-SIM Mikroskopie nutzt strukturierte Beleuchtung, wobei mehrere Bilder pro Aufnahmebereich erstellt und nachverarbeitet werden. Damit wird die erzielbare Auflösung in allen drei Raumrichtungen verdoppelt. Die fluoreszierende Probe wird mit einem sinusförmigen Streifenmuster angestrahlt, womit zusätzliche Bildinformation in die Emissionsbilder eingebracht wird. Die Phase des Streifenmusters wird über einen vollen Zyklus in 5 Stufen verschoben und um jeweils 60° in drei Stufen rotiert. Die sich ergebenden 15 Bilder pro Z-Abscnitt werden nachverarbeitet, um das superhochaufgelöste Bild zu erhalten.

Leistung

Beim OMX reicht die erzielbare Auflösung von 105 Nanometer bei 405 nm-Beleuchtung bis 165nm bei 593nm Beleuchtung. Dies entspricht etwa einer Halbierung der bisherigen Auflösungsgrenze von ca. 200 Nanometern.^[7] Mit Hilfe der 3D-SIM-Mikroskopie konnten Forscher erstmals Teile der Zellkern-Hülle wie Membranen und Poren sehen, die im konventionellen Lichtmikroskop nicht erkennbar waren; ebenso waren auf der Oberfläche von Chromosomen bisher nicht sichtbare Details erkennbar.^[8][9]

Vorteile im Vergleich zu anderen Verfahren

Zwar ist mit Hilfe der Elektronenmikroskopie eine weit höhere Auflösung erzielbar, jedoch kann diese nicht mehrfarbig abbilden. Ein Vorteil der 3D-SIM-Mikroskopie im Vergleich zu anderen neuartigen lichtmikroskopischen Verfahren jenseits der klassischen Auflösungsgrenze wie Stimulated Emission Depletion Microscopy (STED) und 4Pi-Mikroskopie liegt darin, dass wie beim Vertico-SMI normale fluoreszenzmikroskopische Präparate verwendet werden können.

• Bilder von Zellkernen und Mitose-Stadien, die mit 3D-SIM Mikroskopie aufgenommen wurden.
• 

  Vergleich Konfokalmikroskopie - 3D-SIM

• 

  Zellkern im Prophase-Stadium von verschiedenen Seiten

• 

  Zwei Mauszellkerne im Prophase-Stadium

• 

  Mauszelle in der Telophase

Quellen

1. ↑ W. Lukosz, M. Marchand: Optischen Abbildung Unter Überschreitung der Beugungsbedingten Auflösungsgrenze. In: Optica Acta. 10, Nr. 3, 1963, S. 241-255. doi:10.1080/713817795. Online Zusammenfassung)
2. ↑ Carl Zeiss MicroImaging GmbH: Superresolution Structured Illumination Microscopy (SR-SIM). White Paper, Carl Zeiss BioSciences, Jena Location 2010. (PDF)
3. ↑ Gustafsson MG, Shao L, Carlton PM, et al: Three-dimensional resolution doubling in wide-field fluorescence microscopy by structured illumination. In: Biophysical journal. 94, Nr. 12, Juni 2008, S. 4957–70. doi:10.1529/biophysj.107.120345. PMID 18326650.
4. ↑ API DeltaVision OMX. Appliedprecision.com. Abgerufen am 23. Juni 2010.
5. ↑ Carl Zeiss MicroImaging GmbH: ELYRA Enter the World of Superresolution. Carl Zeiss BioSciences, Jena Location 2011. (PDF)
6. ↑ http://www.nikon.com/products/instruments/lineup/biological-microscopes/s-resolution/nsim/index.htm
7. ↑ OMX: A New Platform for Multimodal, Multichannel Wide-Field Imaging: 3D-SIM for High Spatial Resolution Analysis
8. ↑ Schermelleh L, Carlton PM, Haase S, et al: Subdiffraction multicolor imaging of the nuclear periphery with 3D structured illumination microscopy. In: Science (New York, N.Y.). 320, Nr. 5881, Juni 2008, S. 1332–6. doi:10.1126/science.1156947. PMID 18535242.
9. ↑ Carlton PM: Three-dimensional structured illumination microscopy and its application to chromosome structure. In: Chromosome research : an international journal on the molecular, supramolecular and evolutionary aspects of chromosome biology. 16, Nr. 3, 2008, S. 351–65. doi:10.1007/s10577-008-1231-9. PMID 18461477.

Weblinks

• Artikel auf Welt der Physik
• idw-online.de