Neuronen sind hochgradig kompartimentierte Zellen, in denen Teilkompartimente, wie Axone und Dendriten, einer speziellen biologischen und metabolischen Funktion dienen, sodass sie Informationen empfangen oder übertragen können. Jedes Subkompartiment bildet seine eigene, lokal kontrollierte Umgebung, um sich selbst zu versorgen, seine Funktion zu erfüllen und mit anderen Kompartimenten des Neurons zu kooperieren.
Um die lokalen Prozesse in Axonen und Dendriten genauer zu untersuchen, ist die hochauflösende optische Mikroskopie ein leistungsfähiges Instrument, das im Allgemeinen auch bei der Untersuchung homöostatischer Prozesse eingesetzt wird, mit denen die Zelle ihr Gleichgewicht durch Selbstregulation stabilisiert. Aufgrund der Komplexität der verwendeten Instrumente ist es mit der konventionellen optischen Mikroskopie jedoch nicht möglich, lebende Zellen in vivo in einer herkömmlichen Inkubatorumgebung zu beobachten. Gleichzeitig kann die konventionelle Mikroskopie keine makroskopisch langen Zellen mit höchster optischer Auflösung abbilden, da eine hohe optische Auflösung typischerweise mit einem kleinen Sichtfeld einhergeht. Diese Restriktionen der konventionellen Mikroskopie sind besonders dann limitierend, wenn Axone und Dendriten untersucht werden sollen.
Die Untersuchung neurologischer Prozesse stellt hohe Anforderungen an Messmethoden und – instrumente. Die verwendeten aktiven optischen Komponenten sollen möglichst schädigungsarm detaillierte Informationen liefern und simultan mit anderen Stimuli oder Messgeräten nutzbar sein. Für diese Aufgabe werden innovative Ansätze benötigt, die durch hohe Integration und maßgeschneiderte Eigenschaften den Schlüssel zum Verständnis der Stoffwechselprozesse des Nervensystems liefern.
Die Prozessierung kleinster Lichtquellen einer bestimmten Wellenlänge und deren fast beliebige Anordnung zu Arrays verschiedener Abmessungen ist eine der Kernkompetenzen des Instituts für Halbleitertechnik [1],[2],[3]. Solche lichtemittierenden Dioden (LED) können zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden und sollen in diesem Projekt der Untersuchung der Stoffwechselhomöostase dienen.
Zum einen können mithilfe der lokal sehr präzise eingrenzbaren Lichtemission kompakte und robuste Bildgebungseinheiten realisiert werden, die nach dem Prinzip der linsenlosen digitalen Holografie die kontinuierliche Beobachtung biologischer Proben innerhalb handelsüblicher Inkubatoren ermöglichen. Mit einer Auflösung von aktuell 2,2 µm können Zellen dargestellt und ihre Veränderung und Bewegung durch Bildverarbeitungsalgorithmen analysiert werden (siehe Abbildung 2). [4] Ein Prototyp des Mikroskops und die Smarthpone-Applikation zur Bedienung sind in Abbildung 1 gezeigt.
Zum einen können mithilfe der lokal sehr präzise eingrenzbaren Lichtemission kompakte und robuste Bildgebungseinheiten realisiert werden, die nach dem Prinzip der linsenlosen digitalen Holografie die kontinuierliche Beobachtung biologischer Proben innerhalb handelsüblicher Inkubatoren ermöglichen. Mit einer Auflösung von aktuell 2,2 µm können Zellen dargestellt und ihre Veränderung und Bewegung durch Bildverarbeitungsalgorithmen analysiert werden (siehe Abbildung) [4].
Prototyp eines linsenlosen Mikroskops. Die zugehörige Applikation zur Bedienung des Mikroskops und zur Anzeige des Bildes wird auf dem Smartphone angezeigt.
Andererseits bieten zu Arrays angeordnete LEDs die Möglichkeit zur präzisen und lokal hochaufgelösten optischen Stimulation biologischer Proben. Verschiedene Konzepte zur Nutzung strukturierter Lichtfelder für optogenetische Fragestellungen werden für dieses Projekt untersucht und interdisziplinär entwickelt.
Referenzen
[1] H. S. Wasisto, J. D. Prades, J. Gülink, and A. Waag, “Beyond solid-state lighting: Miniaturization, hybrid integration, and applications of GaN nano- and micro-LEDs,” Applied Physics Reviews, vol. 6, no. 4, p. 41315, 2019, doi: 10.1063/1.5096322.
[2] J. Gülink et al., “InGaN/GaN nanoLED Arrays as a Novel Illumination Source for Biomedical Imaging and Sensing Applications,” Proceedings, vol. 2, no. 13, p. 892, 2018, doi: 10.3390/proceedings2130892.
[3] V. Agluschewitsch, M. Garcés-Schröder, and A. Waag, “Optofluidic Particle Detection,” Proceedings, vol. 56, no. 1, p. 26, 2020, doi: 10.3390/proceedings2020056026.
[4] A. B. Dharmawan et al., “Nonmechanical parfocal and autofocus features based on wave propagation distribution in lensfree holographic microscopy,” Scientific reports, vol. 11, no. 1, p. 3213, 2021, doi: 10.1038/s41598-021-81098-7.
[5] G. Scholz et al., “Continuous Live-Cell Culture Imaging and Single-Cell Tracking by Computational Lensfree LED Microscopy,” Sensors (Basel, Switzerland), vol. 19, no. 5, 2019, doi: 10.3390/s19051234.
Kontakt
Prof. Dr. Andreas Waag
Technische Universität Braunschweig
Institut für Halbleitertechnik
Hans-Sommer-Straße 66
38106 Braunschweig
Germany
Phone: +49 531 391 3774
Email: a.waag@tu-braunschweig.de
www.tu-braunschweig.de/iht
Dr.-Ing. Mayra Garcés-Schröder
Technische Universität Braunschweig
Institut für Halbleitertechnik
Hans-Sommer-Straße 66
38106 Braunschweig
Germany
Phone: +49 531 391 65327
Email: m.garces-schroeder@tu-braunschweig.de
www.tu-braunschweig.de/iht