Schnelle, hochauflösende optische Mikroskopie der Bildung einer immunologischen Synapse initiiert durch optische Fallen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Huser
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415832635

In diesem Forschungsprojekt planen wir, ein schnelles, hochauflösendes optisches Mikroskop basierend auf der Methode der strukturierten Beleuchtung (SR-SIM) zu entwickeln, mit dem die Struktur und Dynamik von Signal-Mikroclustern in lebenden T Zellen untersucht werden soll. Dies wird ermöglicht, indem die rechnerische SR-SIM Bild-Rekonstruktion vollständig auf die schnelle parallel-prozessierende Plattform moderner Graphikprozessoren implementiert wird, was uns erlaubt lebende Zellen abzubilden und die rekonstruierten Bilddaten in Echtzeit darzustellen. Weiterhin wird das Mikroskopiesystem um eine holographische optische Falle erweitert, die es ermöglicht, lebende, nicht-adhärente Immunzellen optisch in der Fokalebene des Mikroskops zu immobilisieren. Durch gezielte Manipulation mehrerer lebender Immunzellen lässt sich damit z.B. die Bildung einer immunologischen Synapse zwischen Immunzellen initiieren. Die hochschnelle Bildaufnahme in allen Dimensionen wird insbesondere durch Integration eines Bildteiler-Prismas erreicht, das es uns ermöglicht bis zu 8 Fokalebenen parallel abzubilden. Die Auflösung der SR-SIM Mikroskopie wird dabei durch Abbildungsfehler, die durch sphärische Aberration der Mikroskopoptik hervorgerufen werden, limitiert, was durch den Einsatz eines adaptiv-optischen Spiegels im Detektionspfad des Mikroskops kompensiert werden soll. Dieses System wird dann eingesetzt, um ein aus immunologischer Sicht hoch-relevantes System in Echtzeit und mit einer räumlichen Auflösung von ca. 100 nm zu untersuchen, nämlich die vesikuläre Rezyklierung von Signalmolekülen in lebenden T Zellen. Dies wird es uns ermöglichen zu bestimmen, ob unterschiedliche Signalmoleküle, wie TCR, CD4 und Lck in unterschiedlichen Vesikeln transportiert werden. Dieses System wird es uns auch ermöglichen, die zeitlichen Abläufe und die strukturellen Veränderungen abzubilden, die durch das Andocken und Verschmelzen von Vesikeln an der T Zell Plasmamembran ausgelöst werden und zu bestimmen, ob und wie sich diese Prozesse zwischen ruhenden und aktivierten T Zellen unterscheiden. Die Fähigkeit, die Position und die Orientierung von nicht-adhärenten Zellen nach Belieben durch optische Fallen zu beeinflussen, wird es uns ultimativ auch erstmals ermöglichen, die Vesikeltransfer-Routen, deren Raten und den Grad der Aggregation in interagierenden Immunzellen so zu untersuchen, wie dieser Prozess auch in der Natur abläuft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen