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

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
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer neuartigen Bildgebungsmethode, die die Beobachtung von intra- und interzellulären Transportprozessen in lebenden menschlichen Immunzellen mit höchster räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht. Dazu wurde eine Software für die 2D- und 3D-Rekonstruktion von Roh-Bilddaten, die mit strukturierter Beleuchtung (structured illumination microscopy - SIM) aufgenommen wurden, entwickelt. Diese Bildrekonstruktions-Software verwendet parallel arbeitende Grafikarten-Prozessoren (GPUs), um eine sofortige Rekonstruktion und Anzeige von SIM-Bilddaten zu ermöglichen. Dieses GPU-beschleunigte SIM-Bildgebungssystems wurde dann auf einen Mehrkanal-(Farb-)Betrieb erweitert, um die schnelle Bildgebung von interzellulären Prozessen mit ca. 120 nm Auflösung und super-aufgelösten Bildraten bis zu 64 Bildern pro Sekunde zu ermöglichen. Dieses System wurde dann an lebenden Zellen einer Osteosarcoma-Zelllinie (U2OS) erprobt. Hierbei konnten an lebenden U2OS Zellen, der fluoreszenz-markierte Nukleus, sowie Mitochondrien und Tubulin-Filamente per super-aufgelöstem SIM abgebildet und dargestellt und mit 30 super-aufgelösten Bildern pro Sekunde abgebildet werden. Dies ermöglichte, z.B. auch die Navigation der lebenden Zellen in Super-Auflösung, also die direkte Darstellung und Visualisierung von Transportprozesse während der lateralen Verschiebung der Probe. Weiterhin ermöglichte uns die Ausweitung dieses System auf Fluoreszenz-Anregung durch Totalreflektion (TIRF-Anregung), die Ultrastruktur einzelner Leberendothel-Zellen mit einer Auflösung von ca. 117 nm und einem sehr großen Bildfeld von 100 µm x 100 µm aufzunehmen. In Zusammenarbeit mit dem J. Heyrovsky Institut für Physikalische Chemie in Prag (Tschechien) untersuchten wir dann die Aktivierung von T-Zellen durch die Interaktion des T-Zell-Rezeptors (TCR) mit antigenen Peptiden. Um die Dynamik von Jurkat T-Zellen besser, auch über längere Zeitspannen hinweg, untersuchen zur können, nutzen wir Zellen, deren Membran das grün fluoreszierende Protein eGFP enthielt. Hierbei wurden für die 3D-superaufgelöste Abbildung 735 Rohbildern aufgenommen (Aufnahmezeit: 7,43 Sekunden für alle 735 Rohbilder kollektiv pro Zeitpunkt), um ein 6 µm dickes Volumen in axialer Richtung abzudecken. Die Zellen zeigten sich dabei kaum durch die Aufnahme der SIM Rohbilder beeinträchtigt und wiesen eine relativ schnelle Abformung von Membran-Flügeln auf. Im Rahmen dieser Arbeiten konnten wir auch zeigen, dass durch das Anlernen einer künstlichen Intelligenz auf bestimmte zelluläre Strukturen, auch Bilddaten, die mit wesentlich geringerer Laserleistung oder bei kürzeren Belichtungszeiten aufgenommen wurden, mit unverminderter Qualität rekonstruiert werden konnten. Durch dieses KI-basierte Entrauschungsverfahren konnten Bilddaten mit 10-100-fach geringer Leistung, als für die Rekonstruktion mithilfe herkömmlicher Algorithmen benötigt wird, aufgenommen werden.

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