Fluoreszenzreader für die Zelldiagnostik

Prof. Dr. Herbert Schneckenburger vom Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Fachhochschule Aalen hat mit seiner Arbeitsgruppe ein Verfahren entwickelt, das es gestattet, Membranen lebender Zellen gezielt zu untersuchen, ohne diese bei der Messung zu beschädigen. Die eine Zelle umgebende Zellmembran ist nur wenige Nanometer dick und damit wesentlich dünner als andere Zellorganellen. Werden Zellen mit einem fluoreszierenden Marker versehen und mit einer Kamera optisch aufgenommen, standen die Membranen bisher sprichwörtlich im Schatten des sie überstrahlenden Zellinnern. In Zusammenarbeit mit Wolfgang Strauß vom Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik an der Universität Ulm machte sich nun der Professor im Studiengang Optoelektronik das Phänomen der Totalreflexion für eine schichtgenaue Zelldiagnostik zunutze, die er auf der Hannover Messe 2005 erstmals der Öffentlichkeit vorstellte.

Im Umkehrpunkt des Laserstrahles klingt bei der Totalreflexion das elektromagnetische Feld jenseits des Reflexionsmediums exponentiell ab. Diese Energie ist recht gering, reicht aber aus, um markierte Substanzen zum Fluoreszieren zu bringen. Da das Feld aufgrund seiner geringen Energie nicht sonderlich tief in die Substanz eindringt, wird im Falle einer organischen Zelle nur deren Membran angeregt. Die fluoreszierende Membran wird dann in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes fotografiert. Aus den Aufnahmen wiederum lassen sich beispielsweise wesentliche Erkenntnisse über Aufbau und Zusammensetzung der Membran lebender Zellen gewinnen.

Als Reflexionsmedium verwenden die Aalener Forscher einen speziell angepassten Glasboden. In diesem breiten sich acht parallele Teilstrahlen eines Argonlasers über mehrfache Totalreflexion aus. Die Ausbreitung entspricht einem regelmäßigen Zickzackmuster, das sich in acht Reihen nebeneinander präzise wiederholt. Auf dem Glasboden ist eine gitterförmige Mikrotiterplatte angebracht, deren Hohlräume in Strahlrichtung so angeordnet sind, dass sie mit den oberen Umkehrpunkten des totalreflektierten Laserlichtes zusammenfallen. Auf diese Weise können die einzelnen markierten Proben in den Hohlräumen der Mikrotiterplatte simultan angeregt werden. Bei zehn Umkehrpunkten können so 80 Proben gleichzeitig zum Fluoreszieren gebracht werden. Die Fluoreszenzstrahlung der angeregten Proben wird dann von einer hochauflösenden Digitalkamera mit Vorsatzoptik für die Mikroskopie und Makrofotografie aufgenommen.

„Der TIR Fluoreszenzreader eignet sich für die Diagnostik lebender Organellen sowie für das Screening pharmazeutischer Wirkstoffe“, erläuterte Prof. Dr. Schneckenburger in Hannover die Vorteile des innovativen Verfahrens, das bereits auf reges Interesse der pharmazeutischen sowie der optischen Industrie gestoßen ist. Aufgrund der simultanen Anregung der Proben lassen sich Veränderungen in der Zellstruktur, die durch Krankheiten, bestimmte Medikamente oder durch einen hohen Cholesteringehalt bedingt sind, schnell visuell erfassen.