High-Tech-Mikroskope vom heimischen Sofa steuern

Innovative Lehre in Corona-Zeiten

Die praktische Laborarbeit war während der Corona-Pandemie sehr eingeschränkt. Am Center for Advanced Imaging (CAi) der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) werden erfolgreich Remote-Schnittstellen eingesetzt, damit Studierende die Bedienung moderner Mikroskope und die Auswertung der gewonnenen Bilder erlernen.

Das Team am CAi bringt Studierenden näher, wie sie mit modernen Mikroskopen, vor allem konfokalen Laserscanningmikroskopen, arbeiten können. Die Studierenden benötigen diese Kenntnisse, um später selbstständig Proben aus Biologie, Medizin, Chemie oder Physik untersuchen zu können. Ebenfalls müssen sie lernen, die Proben vorzubereiten, die gewonnenen Mikroskopaufnahmen auszuwerten und die großen Datenmengen – oft Dutzende bis Hunderte Gigabyte pro Bild – zu verwalten.

Doch wie geht dies alles in Coronazeiten, wenn aufgrund von Abstandsgebot und Personenzahlbegrenzung nicht mehr ein Dutzend Studierende im Labor experimentieren dürfen? Das Team des CAi setzt für die Lehre seit dem Sommersemester 2020 eine Remote-Schnittstelle ein, mit deren Hilfe Studierende von zuhause aus die hochkomplexen Geräte fernsteuern können. Ein Betreuer sitzt dann im Labor vor dem Mikroskop, die Studierenden sind mit einer speziellen Software auf den Bedienungscomputer des Mikroskops aufgeschaltet. In der gleichzeitig laufenden Videokonferenz erläutert der Betreuer Gerät und Bediensoftware, wie eine Probe vorbereitet werden muss und wie von ihr schließlich gute Aufnahmen gemacht und diese ausgewertet werden können.

Dr. Sebastian Hänsch, Mitarbeiter und Praktikumsbetreuer am CAi: „Es ist erstaunlich, dass die Studierenden über 90 Prozent dessen remote machen können, was mit dem Mikroskop möglich ist. Ich muss natürlich vor Ort die Probe präparieren und das Bild grob suchen und einstellen; die großen Schrauben am Mikroskop funktionieren noch nicht per Fernbedienung.“

Ebenfalls können und sollen sich die Studierenden während der Arbeit miteinander beraten und austauschen, damit sie sich selbst Lösungswege erarbeiten. Dies ist durch die Videokonferenz möglich, während derer die Studierenden gleichzeitig das virtuelle Bedienungspult des Mikroskops sehen. Zwar kann nur einer gleichzeitig die Kontrollen aktiv bedienen, die Kommilitoninnen und Kommilitonen können aber wichtige Hinweise geben, indem sie ihren Mauszeiger an die richtige Stelle auf dem Bildschirm lenken.

Die digitale Technik hat aber auch ihre Grenzen, wenn Studierende das Mikroskopieren lernen sollen. Es fehlt das haptische Element. Hänsch: „Um den Studierenden hierfür einen Eindruck zu vermitteln, haben wir ihnen sehr einfache ‚Foldscopes‘ aus Pappe und Kunststoff mit nachhause geben, die sie dort zusammenbauen und einfache Experimente machen konnten.“ Sie haben auch Präparierflüssigkeiten und Glasträger bekommen, so dass sie die Arbeitsschritte üben konnten, um eine Probe mikroskopierfähig zu machen.

Einige für den Kurs entwickelte Elemente werden auch beibehalten werden, wenn demnächst die Kurse wieder in Präsenz möglich sind. Dazu Dr. Hänsch: „Über die Onlineschnittstelle ist es viel einfacher, dass bei größeren Gruppen alle Teilnehmenden jeden Arbeitsschritt am Gerät gleich gut beobachten können. Wenn dagegen ein Dutzend Studierender vor einem einzelnen Gerät im Labor sitzt, sehen diejenigen in der letzten Reihe kaum, was vorne passiert.“ Für das Mastermodul erhielten Dr. Stefanie Weidtkamp-Peters, Geschäftsführerin des CAi, und Prof. Dr. Yvonne Stahl im Jahr 2020 den Lehrpreis der HHU. Teile des Preisgeldes konnten sie nun einsetzen, um dieses neue innovative Online-Lehrkonzept technisch umzusetzen.

Dr. Stefanie Weidtkamp-Peters ergänzt: „Die für die Lehre eingesetzte Technik nutzen wir auch in der Forschungsarbeit am CAi. Hierüber können unsere Mikroskopieexperten von ihrem Schreibtisch aus andere Nutzer an den Geräten unterstützen, wie sie die besten Aufnahmen machen können.“

Das Center for Advanced Imaging (CAi)

Das CAi ist eine gemeinschaftliche Einrichtung von Arbeitsgruppen der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der HHU. Dessen Ziel ist die Förderung der Entwicklung und die anwendungsbezogene Nutzung der optischen Mikroskopie im interdisziplinären Umfeld der Lebens- und Materialwissenschaften.

Insgesamt stehen am CAi folgende Geräte zur Verfügung:

Konfokale Systeme:
– Zeiss LSM 710
– Zeiss Spinning Disc Dual-Cam
– Zeiss LSM 880 Fast Airyscan („enhanced resolution“)
– Zeiss LSM 780 + PicoQuant FLIM
– Olympus FV1000 + PicoQuant FLIM
– Olympus FV3000 + PicoQuant rapidFLIM
– Leica SP8 gated STED 3D („super resolution“, Auflösung bis zu 60 nm)
Ein besonders für die Untersuchung lebender Zellen geeignetes weiteres STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion) steht voraussichtlich ab dem Spätherbst 2021 zur Verfügung.

Weitfeldsysteme:
– Zeiss PALM Microdissection
– Zeiss Elyra („super resolution“; SIM-Auflösung bis zu 100nm; PALM-Auflösung bis zu 30 nm)

Elektronenmikroskope:
– Zeiss Rasterelektronenmikroskop Leo 1430 VP
– Zeiss Transmissionselektronenmikroskop 900

Darüber hinaus stellt das CAi sowohl einige Hochleistungsrechner als auch diverse Softwaretools für die Bildanalyse zur Verfügung

Die Geräte können online für Forschungsprojekte gebucht werden, die CAi-Mitarbeiterinnen und -Mitarbeiter unterstützen die Forschenden bei ihren Projekten.

Der Aufbau des CAi wurde von 2016 bis 2020 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Programms „Förderung für Gerätezentren“ gefördert.

http://www.hhu.de/