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Bildanalysemethode

Bildgebungsverfahren für schnelle Prozesse

Ein Forschungsteam hat mit einem 3D-Rekonstruktionsalgorithmus eine Bildanalysemethode entwickelt, um schnelle Bewegungen präziser vermessen zu können.

Forschende stoßen oft an Grenzen, wenn sie schnelle Prozesse in der Natur genau beobachten und analysieren wollen. Etablierte Bildgebungsverfahren wie die konfokale Mikroskopie sind nicht schnell genug oder zu ungenau, um schnelle 3D-Bewegungen darzustellen. Die sog. multifokale Mikroskopie macht sehr schnelle 3D-Aufnahmen möglich, allerdings nur in einem kleinen Sichtfeld oder mit geringer räumlicher Auflösung. Zudem müssen die Proben mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert werden, um sie zu beobachten. Ein Team des Exzellenzclusters „ImmunoSensation2“ der Universität Bonn, des Universitätsklinikums und des Forschungszentrums Caesar hat jetzt eine Methode entwickelt, die schnelle Bewegungen präziser vermessen kann. Sie besteht in einem sog. 3D-Rekonstruktionsalgorithmus. Dieser ermöglicht es, eine multifokale Bildgebung mit einem größeren Sichtfeld anzuwenden und so kugel- und fadenförmige Strukturen schnell und genau zu verfolgen. Dazu ist es nicht notwendig, die Proben zu markieren.

Mit einem neuen Algorithmus konnten die Forschenden erstmalig das Schlagen eines Spermienschwanzes über eine längere Zeit präzise in 3D aufzeichnen. © René Pascal

Mit dieser Methode zeichneten die Forscher über eine längere Zeit in 3D das Schlagmuster von einzelnen freischwimmenden Spermien auf; gleichzeitig beobachteten sie die Schwimmbahn. Zudem konnten sie erstmalig eine dreidimensionale Karte des Strömungsprofils um das schlagende Spermium aufzeichnen. Solche Untersuchungen könnten u. a. helfen, Ursachen für Infertilität zu entdecken. Darüber hinaus können mit der Methode gewonnenen Erkenntnisse auch in der Bionik ihren Einsatz finden.

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Mikroskope aufrüsten

Ein vorhandenes Mikroskop kann mit einem handelsüblichen Adapter aufgerüstet werden und bleibt so flexibel. Durch das Wechseln des Objektivs kann das erweiterte System auf die Objektgröße eingestellt werden, um Objekte im Nano- bis Millimeterbereich untersuchen zu können. Mitglieder des Exzellenzclusters „ImmunoSensation2“ können diese Methode bereits anwenden, um bspw. 3D-Strömungskarten für die Flimmerhärchen auf Lungenzellen zu bestimmen. Die Härchen transportieren Schleim aus der Lunge in den Rachen. Auf diese Weise werden auch Krankheitserreger hinausbefördert. Die Forschenden könnten u. a. Untersuchungen im Zusammenhang mit einer Immunreaktion durchführen.

„Uns ist wichtig, dass auch andere Labore die Methode leicht anwenden können, egal, ob sie besondere Kenntnisse in der Bildgebung haben oder nicht“, betont Jan Hansen vom Institut für Angeborene Immunität am Universitätsklinikum Bonn, der Erstautor der Studie. Deshalb wurde die entwickelte Bildanalysemethode als Plugin für die freie, quelloffene Software „ImageJ“ entwickelt. Die Software hat eine Benutzeroberfläche und erfordert keine Programmierkenntnisse.

Doch nicht nur die Lebenswissenschaften können von diesem 3D-Rekonstruktionsalgorithmus profitieren. Die Studie zeigt, dass das zugrundeliegende Konzept grundsätzlich Tiefeneinschätzungen, also das Bestimmen der Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum, verbessert. Der Algorithmus errechnet eine 3D-Position basierend auf dem Objektbild in mehreren Fokus-ebenen. Die Autoren zeigen, dass die Kombination mehrerer Fokusebenen die Genauigkeit und den Tiefenbereich verbessert, über den 3D-Positionen präzise errechnet werden.

Die Studie, an der auch die Universität Glasgow beteiligt war, erhielt eine Open-Access-Förderung durch das Projekt DEAL.

Originalpublikation:
Jan N. Hansen et al.: Multifocal imaging for precise, label-free tracking of fast biological processes in 3D. Nature Communications; www.doi.org/10.1038/s41467-021-24768-4

Quelle: Universität Bonn

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