Biolumineszenz – die durch bestimmte Enzyme in lebenden Zellen erzeugte Lichtemission – ist ein vielseitiges "Werkzeug" in den Lebenswissenschaften. Im Vergleich zur Fluoreszenzbildgebung, die auf starke externe Beleuchtung angewiesen ist und dadurch Zellverhalten beeinflussen oder feine Signale überdecken kann, bietet Biolumineszenz eine schonendere Alternative für Langzeitbeobachtungen. Der Hauptnachteil besteht in der äußerst geringen Lichtintensität, was eine hochauflösende Bildgebung technisch limitiert.

Von Teleskopen inspiriert

Daher untersuchte das Team um Dr. Jian Cui den Einsatz von Quanten-Bildsensoren (Quanta Image Sensors, QIS) – einer Kameratechnologie, die sich bei lichtarmen Bedingungen den bislang gängigen EMCCD-Kameras als vorteilhaft erwies. Hierfür entwickelten die Forschenden ein maßgeschneidertes optisches System – so entstand das QIScope, ein unkonventionelles optisches System, das Merkmale von Teleskop und Mikroskop vereint. "Um die Fähigkeiten des Sensors voll auszuschöpfen, haben wir uns vom optischen Aufbau von Teleskopen inspirieren lassen", erklärt Ruyu Ma, Erstautor der Studie und Doktorand am Helmholtz Pioneer Campus. "Durch die Kombination dieses Konzepts mit der QIS-Kamera konnten wir ein System entwickeln, das zelluläre Prozesse mit einer Klarheit und Empfindlichkeit sichtbar macht, die mit bisherigen Systemen nicht erreichbar war."

Kleine Veränderungen in lebenden Zellen untersuchen

Das Forschungsteam zeigte, dass QIScope feinste Dynamiken in lebenden Zellen über längere Zeiträume hinweg erfassen kann – etwa die Bewegung von Vesikeln oder das Verhalten von Proteinen in sehr geringer Konzentration. "Unser Mikroskop bietet höhere Empfindlichkeit, verbesserte Auflösung, ein größeres Sichtfeld und einen höheren Dynamikbereich – alles Eigenschaften, die für anspruchsvolle Live-Cell-Imaging-Experimente essenziell sind", sagt Studienleiter Jian Cui. Darüber hinaus werden auch weitere Bildgebungsverfahren integriert, etwa Epifluoreszenz und prinzipiell auch Phasenkontrast. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, lebende Systeme mit minimaler Störung zu beobachten – eine Grundvoraussetzung für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse."

Damit steht in der Biolumineszenz-Bildgebung mit dem QIScope-System ein Instrument für die Forschung zur Verfügung – für die Untersuchung unterschiedlicher biologischer Systeme, von Einzelzellen bis hin zu Organoiden und Gewebemodellen.

Publikation:
Ma, R., Santino, L.M., Chobola, T. et al.: A telescopic microscope equipped with a quanta image sensor for live-cell bioluminescence imaging. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-025-02694-3

Quelle: Helmholtz Zentrum München