Stanford-Entwickler zeigen lebende Zellen in bisher unerreichter Detailtiefe

Dies ist die bisher höchste Auflösung, die ohne fluoreszierende Marker erreicht wurde.

Die Technologie, die als Interferometric Image Scanning Microscopy (iISM) bekannt ist, bietet Wissenschaftlern die Möglichkeit, zelluläre Strukturen in ihrem breiteren Umfeld zu beobachten, einschließlich ihrer Reaktionen auf Eindringlinge wie Krankheitserreger oder auf Medikamente.

Dieser Fortschritt wird in der Zeitschrift Light: Science and Applications beschrieben. „Dieses neue Mikroskop bietet einen fantastischen neuen Einblick in die Zelle, in der man die winzigen Strukturen und Maschinen in der Zelle beobachten kann, wie sie sich bewegen, verändern und miteinander interagieren, ohne dass Fluoreszenz hinzugefügt werden muss, um sie zu erfassen", sagte leitender Autor W.E.

Was die Studie zeigt

Mosher Professor für Chemie an der School of Humanities and Sciences der Stanford University. „Es ist ein wunderbarer Einblick in diese komplexen kleinen zellulären Boxen, die unser Leben antreiben." Die Fähigkeiten könnten neue Entdeckungen in vielen Bereichen der Lebenswissenschaften unterstützen, einschließlich der Forschung zu Krankheitsmechanismen, der Arzneimittelentwicklung und der Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben.

Obwohl iISM nicht die gleiche Auflösung erreicht wie einige hochspezialisierte Mikroskope, bietet sein markierungsfreier Ansatz erhebliche Vorteile. Wissenschaftler können viele zelluläre Strukturen gleichzeitig beobachten und über längere Zeiträume verfolgen.

Im Vergleich dazu markieren fluoreszenzbasierte Methoden in der Regel nur wenige ausgewählte Strukturen gleichzeitig. Fluoreszente Signale können sich ebenfalls im Laufe der Zeit abschwächen. Darüber hinaus können die Markierungen schwierig einzuführen sein und das Verhalten der untersuchten Strukturen gelegentlich verändern.

Technik und Auswirkungen

Das iISM arbeitet zudem mit deutlich geringerer Beleuchtungsleistung als vergleichbare hochkontrastive markierungsfreie Methoden. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit lichtbedingter Schäden in lebenden Zellen und macht es unwahrscheinlicher, dass der Bildgebungsprozess die kleinen, empfindlichen Strukturen stört, die untersucht werden.

Erstautorin Michelle Kueppers, Postdoktorandin in Moerners Labor, erklärte, dass das neue Mikroskop nicht dazu gedacht sei, die Fluoreszenzmikroskopie zu ersetzen, die seit Jahrzehnten wichtige Erkenntnisse in der Biologie geliefert hat. „Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, und wir glauben an eine komplementäre Anwendung in der Zukunft", sagte Kueppers. „Wenn wir die Stärken der Fluoreszenzmikroskopie für die molekulare Spezifität mit den Vorteilen der iISM für eine markierungsfreie Erfassung, können wir endlich Fragen angehen, die zuvor schwer zu beantworten waren." Viele „Augen" auf denselben Punkt Die iISM erreicht eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit, indem sie die Stärken zweier Mikroskopieverfahren vereint.

Diese Kombination spiegelt die Expertise der beiden Mitautoren wider. Moerner, der 2014 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zur superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie erhielt, holte Kueppers an die Stanford University, da ihre Promotionsschwerpunkte auf der „interferometric scattering microscopy" lagen.

Streuung ist der Grund, warum der

Streuung ist der Grund, warum der Himmel blau erscheint. Wenn Licht auf kleine Partikel trifft – wie Sonnenlicht, das durch die Atmosphäre hindurchtritt und auf Staub, Wassertropfen und andere Moleküle trifft –, ändert es seine Richtung und wird gestreut.

Partikel in der Erdatmosphäre streuen kurzwelliges blaues Licht stärker als rotes Licht, wodurch der Himmel für das menschliche Auge blau erscheint. In einem interferometrischen Streumikroskop wird eine Zelle mit einem Laser beleuchtet, und winzige Strukturen innerhalb der Zelle streuen einen Teil dieses Lichts.

Ein zweiter Laserstrahl verstärkt das schwache gestreute Licht auf ein für die Detektion ausreichendes Niveau, sodass kleine Strukturen sichtbar werden.

Der zentrale Fortschritt des iISM resultiert

Der zentrale Fortschritt des iISM resultiert aus der Kombination der interferometrischen Streuung mit einer angepassten Idee aus der nächsten Generation ömmliche konfokale Mikroskope verwenden eine Blende und einen einzelnen Detektor, um sich auf Zielstrukturen zu konzentrieren.

Fortgeschrittenere Versionen nutzen kamerabasierte Array-Detektoren, die viele Ansichten desselben Bereichs erfassen. Das Stanford-Team setzte für das iISM einen Array-Detektor ein, der mehr Licht sammelt als ein System mit Blende und einzelner Detektor. Dies verbessert die Tiefenauflösung und die Präzision.

Das Konzept ähnelt dem, wie zwei menschliche Augen Informationen sammeln, um Vordergrund vom Hintergrund zu trennen, wobei iISM jedoch nicht nur zwei „Augen", sondern ein Array-Detektor mit zehn bis hundert Ansichten nutzt.

Technik und Auswirkungen

Die Forscher entwickelten daraufhin ein Verfahren, um diese Messungen zu Bildern mit schärferer Detailauflösung und höherem Kontrast zu kombinieren. Das Ergebnis ist ein markierungsfreies Mikroskop, das eine Auflösung 120 Nanometern erreicht, dabei weniger Laserleistung benötigt und die Bildgeschwindigkeit erhält.

Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, lebende Zellen über längere Zeiträume hinweg und mit einer schonenderen Methode zu beobachten. Weitblick für breite Anwendungsmöglichkeiten: Moerner und Kueppers arbeiten nun daran, die Technologie weiter zu verbessern und mehr Wissenschaftlern zugänglich zu machen.

Sie haben bereits drei Kooperationen mit anderen Stanford-Forschern eingeleitet. In einem Projekt wird das Mikroskop genutzt, um Interaktionen zwischen Pflanzenzellen, Pilzen und Bakterien in Echtzeit zu beobachten. Ein weiteres Projekt verwendet iISM, um zu untersuchen, wie ein Krebsmedikament in eine Zelle eindringt.

Was die Studie zeigt

Ein weiteres geplantes Projekt wird untersuchen, wie sich rote Blutkörperchen verformen, wenn sie einer Malaria-Infektion ausgesetzt sind. „Dies ist keine Nischentechnik", sagte Küppers. „Sie hat breite Anwendungsmöglichkeiten, und wir hoffen, dass die Lebenswissenschaften davon gut profitieren werden, was zu vielen neuen Entdeckungen führen wird." Referenz: „Interferometric Image Scanning Microscopy for label-free imaging at 120 nm lateral resolution inside live cells" Küppers und W.

E. Moerner, 27. Februar 2026, Light: Science & Applications. DOI: 10.1038/s41377-026-02210-y Diese Forschung wurde durch die U.S. National Institute of General Medical Sciences unterstützt.