Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope

„ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Ziel ist es, mit ChipScope ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

3D-LED aus Galliumnitrid

Eine 3D-LED aus Galliumnitrid LED im Rasterelektronenmikroskop | Johannes Ledig/TU Braunschweig

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben sich eine Anwendung herausgegriffen. Zum Projektende sollen anhand medizinischer Laboruntersuchungen Zellveränderungen veranschaulicht werden, die bei idiopathischer Lungenfibrose, kurz IPF, auftreten. Diese Zellveränderungen können mit dem neuen Mikroskop im Inneren der lebenden Zellen und in Echtzeit beobachtet werden. Bei IPF handelt es sich um eine aggressive und schnell fortschreitende Lungenkrankheit, der weltweit jährlich 0,5 Mio. Menschen zum Opfer fallen.

Kostengünstig und einfach

Die neuen Mikroskope werden kostengünstig und einfach benutzbar sein. Dies wird Forschung z.B. in der Medizin, der Biologie und Biotechnologie sowie vielen anderen Fachgebieten unterstützen und beschleunigen. Auch für Entwicklungsländer wird das kompakte Mikroskop sehr interessant werden, da dann direkt vor Ort kostengünstige höchstauflösend mikroskopiert werden kann, um zum Beispiel Krankheitserreger zu identifizieren. In nicht allzu ferner Zukunft könnten ChipScope-Mikroskope auch in Consumer Electronics eingebaut werden, so wie heute die Smartphone-Kameras.

Warum neue optische Mikroskope?

Was wir heute mit konventionellen optischen Mikroskopen sehen können, wird von physikalischen Gesetzen, genauer gesagt der Wellenlänge des Lichts, limitiert. Sie beträgt circa ein halbes tausendstel Millimeter. Zellbestandteile, DNA-Moleküle oder Proteine sind jedoch wesentlich kleiner und können daher mit diesen konventionellen Mikroskopen nicht beobachtet werden.

Galliumnitrid LED-Chip
Ein Galliumnitrid LED-Chip mit optobiomedizinischen chemischen Sensoren | Hutomo Suryo Wasisto/TU Braunschweig

Anspruchsvolle Projektziele

Im Forschungsprojekt ChipScope soll eine neue Generation optischer Mikroskope zur Erforschung der Nanowelt realisiert werden. Ziel ist es, sehr kleine LEDs mit nur 50 Nanometern Durchmesser, das ist tausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars, zu entwickeln und als Lichtquellen für ein neues Mikroskop zu verwenden. Der grundlegende Unterschied zu konventionellen optischen Mikroskopen besteht darin, dass die Beleuchtung durch extrem kleine, individuell ansteuerbare Lichtquellen erfolgt, und nicht mittels eines breiten Beleuchtungsfeldes und winzigen Detektoren in der Kamera. Dies ermöglicht die Rekonstruktion eines Durchlichtbildes und somit hochauflösende optische Mikroskopie in Echtzeit von extrem kleinen Strukturen wie Bakterien oder von Vorgängen innerhalb lebender Zellen.

Hoch spezialisiertes, interdisziplinäres Projektteam

Das ChipScope-Projekt läuft von Januar 2017 bis Dezember 2020. Partner sind kleine und mittlere Unternehmen, Universitäten und Forschungsinstitute aus fünf europäischen Ländern: Die Technische Universität Braunschweig, die Universität Tor Vergata in Rom, die Firma Expert Ymaging in Barcelona, das Austrian Institute of Technology AIT in Wien, die Medizinische Universität Wien sowie die Schweizerische Forschung für mikrotechnische Forschung FSRM. Koordiniert wird das Projekt von der Universität Barcelona. (idw, red)