Spinning Disk Konfokalmikroskop: Visualisierung und Quantifizierung von Bakterien-Wirt-Interaktionen

• Fachliche Zuordnung: Grundlagen der Biologie und Medizin
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527320650

Bakterielle Krankheitserreger stellen weltweit eine große Bedrohung dar, und das Verständnis ihrer Interaktion mit menschlichen Zellen ist wichtig für die Entwicklung von Diagnostika und Therapeutika. Insbesondere intrazelluläre bakterielle Krankheitserreger stellen eine große Herausforderung dar, da sie das Immunsystem des Wirts und antimikrobielle Medikamente umgehen können, indem sie sich in Wirtszellen verstecken, vermehren und ausbreiten. Die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Krankheitserreger wurden lange Zeit in statischen Kulturen auf Plastik- oder Glasoberflächen untersucht, die die (Patho-)Physiologie des Menschen in vivo kaum widerspiegeln. Auch Tiermodelle geben den Infektionsprozess beim Menschen nur selten wieder und lösen subzelluläre Details in der Regel nicht dynamisch auf. In jüngster Zeit sind Organoide und Organ-on-Chip-Mikrofluidik-Technologien entwickelt worden, um einzelne Parameter unter physiologischeren Bedingungen modulieren zu können, die der in vivo-Situation näher kommen. Dies hat unser Verständnis über Pathogeneseprozesse verbessert. Angesichts der inhärenten dreidimensionalen (3D) Architektur solcher Proben und der unterschiedlichen Zeitskalen infektionsbezogener aber z.B. auch steriler entzündlicher Prozesse (von Sekunden bis zu Tagen) sind für die mikroskopische Erfassung in Zeit und Raum jedoch spezifische Mikroskopiemodalitäten notwendig. In diesem Zusammenhang beantragen wir die Anschaffung eines konfokalen Spinning-Disk-Mikroskops (SDCM) zur schnellen Visualisierung und Quantifizierung von 3D-Proben mit lebenden Zellen (infiziert oder steril) über kurze und lange Zeiträume. Dafür sind folgende Merkmale des SDCM entscheidend: (i) hohe Aufnahmegeschwindigkeit, was insbesondere für die Abbildung von Organ-on-Chip-Geräten, Lebendzellorganoiden oder infizierten Proben in 3D-Matrizen und im Zeitverlauf entscheidend ist. Konfokale Laser-Scanning-Mikroskope (LSCMs), die mit Punktscannern arbeiten, können für die Mehrkanal-Bildgebung und dicke Proben Minuten brauchen, im Gegensatz zu Sekunden mit einem SDCM. (ii) SDCM reduziert unscharfes Licht und Aberrationen. Bei dicken Proben (d. h. >10-15 μm typische Dicke einer Zell-Monolayer) verursacht die Weitfeld-Epifluoreszenz-Bildgebung in Verbindung mit Deconvolution Aberrationen, die in Abhängigkeit von der Probendicke nichtlinear zunehmen. SDCMs sind in der Lage, dünne optische Schnitte von Proben auf ähnliche Weise wie LSCMs zu erfassen, jedoch wesentlich schneller. (iii) SDCM weist im Vergleich zu klassischen LSCMs eine geringere Phototoxizität und Photobleichung auf, was für die fein aufgelöste Lebendzellbildgebung einzelner, sich schnell bewegender Bakterien, Organellen, Immunzellen oder anderer Zelltypen entscheidend ist. Ein SDCM auf dem neuesten Stand der Technik, das für eine S2-Sicherheitsumgebung bestimmt ist, würde uns dabei helfen, die Untersuchung von Wirt-Pathogen-Interaktionen auf unserem Campus auf ein noch nie erreichtes Niveau zu bringen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Spinning Disk Konfokalmikroskop: Visualisierung und Quantifizierung von Bakterien-Wirt-Interaktionen
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Eberhard Karls Universität Tübingen
• Leiter: Professor Alexander Weber, Ph.D.