Objektive mit Spiegeln statt Linsen: Forscher haben neuartige Mikroskop-Objektive für raffinierte Einblicke in den Mikrokosmos entwickelt. Dabei dienten ihnen astronomische Teleskope sowie die Augen von Jakobsmuscheln als Vorbilder. Da die innovativen Spiegelobjektive in unterschiedlichen Medien „scharf sehen“ können, könnten sie eine faszinierende Mikroskopiertechnik voranbringen: Sie liefern hochauflösende Bilder von in Flüssigkeit eingebetteten Geweben, die durch verschiedene Substanzen transparent gemacht wurden.
Immer detaillierter werden die Einblicke in die faszinierenden Strukturen von Geweben, Nerven und anderen Wundern des Mikrokosmos. In der Lichtmikroskopie kommen dazu noch immer Objektive zum Einsatz, die aus vielen Linsen zusammengesetzt werden, um die Vergrößerungseffekte zu erreichen. In den Spitzengeräten stecken dabei bis zu 15 solcher Einheiten aus verschiedenen Glassorten, die poliert und exakt zueinander ausgerichtet die Leistung ergeben. Diese optische Spitzentechnik hat natürlich ihren Preis: Der Wert eines Objektivs in Forschungsmikroskopen kann dem eines Mittelklassewagens entsprechen. Dazu kommt, dass oft ein Sortiment an unterschiedlichen Objektiven nötig ist. Denn in der Regel ist ein Linsen-Objektiv nur für ein bestimmtes sogenanntes Immersionsmedium geeignet, in dem sich das Untersuchungsobjekt befindet. Für Luft, Wasser oder Öl ist beispielsweise ein jeweils anderes Objektiv nötig.
Einblicke in transparent gemachte Gebilde
Die Bedeutung dieses Aspekts hat allerdings in der letzten Zeit noch einmal entscheidend zugenommen. Denn sogenannte Clearingverfahren, die bestimmte Immersionsmedien benötigen, um Gewebeproben transparent zu machen, haben in die Forschung Einzug gehalten. Diese Technik ermöglicht es beispielsweise, größere Nervenstrukturen oder Tumorstücke als Ganzes transparent und damit untersuchbar zu machen. In der Pathologie könnten „geclearte“ Biopsieproben etwa bösartige Gewebeveränderungen früher erkennbar machen. Bisher kann das Konzept aber sein Potenzial nicht voll entfalten, da die meisten Clearingverfahren Immersionsmedien benötigen, die nicht mit den herkömmlichen Mikroskop-Objektiven kompatibel sind. Kurzum: Die Entwicklung von anpassungsfähigeren und günstigeren Objektiven ist gefragt.
Dieser Herausforderung haben sich die Forscher um Fabian Voigt von der Harvard University in Cambridge gewidmet. Wie sie berichten, fanden sie dabei Inspiration in der Natur – und zwar ausgerechnet bei Wesen, die die meisten Menschen wohl für blind halten würden: Muscheln. Doch einige Arten, wie die Jakobsmuscheln, nutzen gleich einen ganzen Satz von punktförmigen Augen, um herannahende Fressfeinde zu erkennen. Der Clou: In ihnen steckt ungewöhnliche biologische Technik. Während bei uns die Kombination aus Hornhaut und Linse ein Bild auf der Netzhaut erzeugt, fokussiert bei den Jakobsmuscheln ein halbkugelförmiger Spiegel das Licht auf die sensiblen Zellgewebe.
Miniaturisierte Teleskope als Objektive
Dieses System ist prinzipiell nicht neu in der Technik: Das Erzeugen von Bildern mit Spiegeln statt Linsen ist bei astronomischen Teleskopen weit verbreitet. Beim sogenannten „Schmidt-Teleskop“, das schon in den 1930er-Jahren entwickelt wurde und bis heute in vielen Sternwarten genutzt wird, kommt ein großer Kugelspiegel zum Einsatz, um das Licht aus dem Kosmos zu fokussieren. Das System wird dabei nur mit einer dünnen Korrekturlinse kombiniert. Das bedeutet wiederum: Jakobsmuscheln blicken in gewisser Weise mit winzigen Schmidt-Teleskopen durch das flüssige Medium ihres Lebensraums. So kamen die Wissenschaftler auf die Idee, dies in ein Objektiv-Konzept für die Mikroskopie umzusetzen.
Konkret bestand der Ansatz darin, ein Schmidt-Teleskop mit einem flüssigen Immersionsmedium zu füllen und es dann auf ein kleines Format zu schrumpfen, damit es sich in ein Mikroskop einsetzten lässt. Genau das ist dem Team offenbar geglückt, wie die Tests ihres Prototypen zeigten. Es handelt sich bei dem innovativen Objektiv also letztlich um ein Miniatur-Schmidt-Teleskop: Dabei wird ein Spiegel anstatt Linsen verwendet und nur eine Korrekturlinse ist noch nötig. Der Kugelspiegel fokussiert dabei das Licht an derselben Stelle, egal ob sich das Objekt in der Luft oder speziellen Flüssigkeiten befindet. „Es ist möglich, dieses Konzept so auszulegen, dass es in jeder homogenen Flüssigkeit und auch in Luft exzellente Bildqualität liefert. Dadurch ist es mit vielen verschiedenen Clearingtechniken kompatibel“, sagt Voigt.
Um das Potenzial aufzuzeigen, haben die Wissenschaftler mit dem Objektiv-Prototypen eine Vielzahl von Proben untersucht. So konnten sie etwa geclearte Mäusegehirne, Kaulquappen, Hühnerembryos sowie menschliche Hirnproben darstellen.
„In allen Fällen war die Bildqualität gleichwertig oder sogar besser als mit herkömmlichen Objektiven – und das, obwohl das neue Objektiv lediglich aus zwei optischen Elementen besteht“, sagt Seniorautor Fritjof Helmchen von der Universität Zürich. „Im Vergleich zu klassischen Objektiven, die rund ein Dutzend mehr Linsen aufweisen, kann es daher wesentlich kostengünstiger hergestellt werden“, hebt er hervor. „Letztlich könnten uns also die Jakobsmuscheln den Weg zu einer verbesserten medizinischen Diagnostik aufgezeigt haben“, so Helmchen abschließend.
Quelle: Universität Zürich, Fachartikel: Nature Biotechnology, doi: https://www.nature.com/articles/s41587-023-01717-8
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