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Peepshow mit Fadenwürmern

Analytik. - Das Lichtmikroskop gehört zu den Universalwerkzeugen der Wissenschaft, die sich fast in jedem medizinischen oder biologischen Labor finden lassen. Seit über vierhundert Jahren hat sich an dem Aufbau der Geräte nur wenig geändert. Forscher haben es jetzt kleiner und billiger gemacht. In den Abhandlungen der US-Akademie der Wissenschaften PNAS stellten sie das Mikro-Mikroskop vor.

Von Arndt Reuning |
    Es ist ungefähr so groß wie ein Daumennagel. Das neuartige Mikroskop, das Changhuei Yang und seine Mitarbeiter gebaut haben, am California Institute of Technology, kurz CalTech, in Pasadena. Und auch sonst hat es keine Ähnlichkeit mit dem, was man sich unter einem Mikroskop normalerweise vorstellt. Es sieht aus wie ein Computerchip, auf dem ein Glaswürfel liegt. Ein dünner Schlauch führt oben in den Würfel hinein, und ein zweiter führt wieder hinaus. In der Massenfertigung würde die komplette Anordnung wohl ungefähr zehn Dollar kosten. Wie geschaffen für Mediziner in Entwicklungsländern, die auch entlegene Gebiete versorgen müssen, sagt Changhuei Yang.

    "Wir glauben, dass wir unser Mikroskop in ein kleines Gerät einbauen können, das ungefähr so groß ist wie ein iPod. Das Ergebnis wäre ein sehr kompaktes, hochauflösendes Mikroskop, das äußerst robust ist und preiswert herzustellen. Ein Krankenhausarzt, der von Dorf zu Dorf unterwegs ist, muss sich dann keine Gedanken darüber machen, wie er ein großes, sperriges, teures und zerbrechliches Mikroskop transportieren soll. Unser System eignet sich außerdem besonders gut, um damit Malaria und Parasiten im Blut nachzuweisen. Wo man bisher noch ein konventionelles Mikroskop braucht für eine verlässliche Diagnose.""

    Ein herkömmliches Lichtmikroskop arbeitet mit einem ganzen Satz von Glaslinsen. Und lässt sich schon alleine deshalb nicht auf Briefmarkengröße schrumpfen, weil die Brennweite der Optik das verbietet. Also haben die Ingenieure vom CalTech einfach ein Mikroskop erfunden, das ohne Linsen auskommt. Die Inspiration dafür haben sie sich bei einem Phänomen geholt, das den Namen Mouches Volantes trägt. Das sind die dunklen Flecke, die man manchmal vor Augen sieht, wenn man einen hellen Hintergrund betrachtet. Schatten von winzig kleinen Fasern und anderen Objekten im Auge, die sich nahe an der Netzhaut befinden. Yang:

    "Wenn ich nach oben in den wolkenlosen, blauen Himmel schaue, dann kann ich Mouches Volantes deutlich erkennen. Was ein deutlicher Hinweis für mich ist: Auch wenn diese Fasern im Auge sehr klein sind, kann ich sie trotzdem ohne Lupe erkennen. Das heißt doch: Es sollte möglich sein, ein Mikroskop ohne komplizierte Optik zu entwerfen."

    Die Objekte müssen nur nahe genug an der Netzhaut vorüber ziehen. Also hat Changhuei Yang zuerst einmal eine künstliche Netzhaut besorgt. Einen Halbleiterchip, wie er in jeder Digitalkamera zu finden ist, bestehend aus vielen einzelnen winzigen Bildpunkten. Und als Versuchsobjekt, das es zu beobachten galt, diente ein alter Bekannter aus dem Genetiklabor, der Fadenwurm C. elegans in seinem Larvenstadium. Yang:

    "Die sehen wie winzige Würmer aus und sind sehr beliebt bei Biologen für genetische Untersuchungen. Die Wissenschaftler, die mit C. elegans arbeiten, müssen immer riesige Mengen von ihnen untersuchen. Sie suchen nach bestimmten Veränderungen im Aussehen, die dann auf Veränderungen im Erbgut hinweisen. Ein sehr zeitaufwändiger Prozess."

    Die einzelnen Bildpunkte auf dem Digitalkamerachip sind aber viel zu groß, um diese Feinheiten noch auflösen zu können. Deshalb haben sich die Kalifornier einen Trick ausgedacht: Sie decken die lichtempfindlichen Pixel mit einer Schicht Aluminium ab. Und dann pieksen sie kleine Gucklöcher hinein. Pro Pixel ein Loch. Jeder Bildpunkt nimmt jetzt also nur noch einen kleinen Ausschnitt seiner Umgebung wahr. In diesem Fall nur ein winziges Detail der Fadenwurmlarve. In einer geraden Reihe von Bildpunkten sind die Gucklöcher aber jeweils ein klein wenig zueinander versetzt. Die Wurmlarve lassen die Forscher nun über diese Anordnung hinweg treiben – in einem feinen, wassergefüllten Kanal. Die versetzten Gucklöcher rastern die Larve dabei Stück für Stück der Länge nach ab. Und aus diesen Einzeldaten lässt sich dann das gesamte Bild rekonstruieren. Yang:

    "Unser Mikroskop eignet sich dafür, einzelne Objekte in einer Flüssigkeit zu untersuchen. In dieser Form liegen aber ja auch die meisten Proben und Zellkulturen vor, mit denen Biologen und Ärzte arbeiten. Normalerweise müssten sie die Flüssigkeit auf einen Glasträger geben und unter einem konventionellen Mikroskop betrachten. Wir denken, unser System passt besser zu solchen flüssigen Proben. Die sind bei unserem Gerät einfacher zu handhaben."

    Die Auflösung des Mikro-Mikroskops war so gut, dass die Forscher damit verschiedene Typen von genveränderten Fadenwurmlarven unterscheiden konnten, die in ihrer Länge und Dicke voneinander abweichen. Die Qualität der Bilder ist also durchaus mit einem konventionellen Lichtmikroskop zu vergleichen.