Auflichtfluoreszenzmikroskop mit hoher optischer Auflösung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Anschaffung eines leistungsfähigen Forschungsmikroskops für die Hochschule Emden/Leer sollte moderne Verfahren der Auflichtfluoreszenzmikroskopie sowohl in der Lehre als auch Forschung überhaupt erst ermöglichen. Vor der Bewilligung verfügte die Abteilung "Naturwissenschaftliche Technik" über kein Mikroskop, das Auflichtfluoreszenzmikroskopie oder differenziellen lnterferenzkontrast / Polarisationsmikroskopie bot oder dazu umgerüstet werden konnte (alle vorhandenen Mikroskope haben ihre Supportzeit weit überschritten, so dass keine technisch notwendigen Erweiterungen mehr von den betreffenden Firmen angeboten wurden). Das anzuschaffende Mikroskop hat unserer Hochschule einen Anschluss an aktuelle, förderungsfähige Forschungsthemen ermöglicht und machte unseren Studenten moderne Mikroskopieverfahren für ihre berufliche Ausbildung zugänglich, wodurch sich ihr wählbares berufliches Umfeld nachweislich deutlich und positiv erweitert hat. Das Mikroskop wurde in den ersten drei Jahren überwiegend in der Bioinformatik eingesetzt, um bildgebende Verfahren zur Objekterkennung in Histologie und Cytologie zu entwickeln und in Kooperation mit Universitäten und Forschungseinrichtungen entsprechende Projekte aufzugreifen. ln der ersten Phase wurden für unsere Laborverhältnisse leicht kultivierbare Algenstämme zur 3D Rekonstruktion intrazellulärer Strukturen unter Berücksichtigung der technischen Möglichkeiten des Mikroskops selektiert und entsprechende Färbungs- und geeignete Präparationsprotokolle zur Auflichtfluoreszenz basierten Segmentierung lebender Algenzellen über das im Mikroskop integrierte Z-Stacking etabliert. Hierbei wurden neue Verfahren zur Organell Darstellung in bestimmten Algenspezies entwickelt, um die 3D Rekonstruktion über Stackingverfahren zu optimieren. Ferner wurden Algorithmen zur automatisiert arbeitenden, wissensbasierten Objektdetektion entwickelt, die es ermöglichen, einzellige Spezies anhand ihrer Form und inneren Struktur interaktionslos zu klassifizieren. Die perspektivischen Fehler einer 3D Rekonstruktion über Stacking wurden isoliert und teilweise gelöst. Deren völlige Eliminierung ist Teil unserer aktuellen Forschung. Über die Softwareschnittstelle des Mikroskops ist eine rückgekoppelte Bildsignalanalyse möglich. Diese wird auch in einem weiteren aktuellen Forschungsansatz zur automatischen Untersuchung histologischer Gewebe eingesetzt. Die im Forschungsmikroskop vorliegende Stackingtechnologie war für die Entwicklung neuartiger, bildanalytischer Verfahren von Holzgeweben im Bereich der Dendrochrolologie essenziell. Hier werden histologische Objektmerkmale dazu herangezogen, zelluläre Merkmale von Jahresringen zu interpretieren. Jeder einzelne Jahresring eines dicken Schnittes wird mit dem Mikroskop über dessen Z-Scanning hochaufgelöst untersucht. Das Früh/Spätholz bildet, in Abhängigkeit zu umweltbedingten Einflüssen, bestimmte Marker, die über unsere digitale Bildsignalanalyse aus dem Bildstapel exzerpiert wird. Auf diese Weise kann nicht nur das Dendrogramm, sondern auch umweltbedingte Unterschiede über die gegebenen Zeiträume hinweg modelliert werden. Eine schnelle und robuste Objektdetektion der Lentizellen ist bereits mit den aktuell abgeschlossenen Arbeiten unter Einsatz des angeschafften Forschungsmikroskops gelungen und richtungsweisend für künftige Entwicklungen. Geplant ist unter Anderem, in einem aktuellen DFG-Antrag, die hochaufgelöste und lückenlose Rekonstruktion des Klimas aus subfossilen Hölzern der letzten 12000 Jahre. Eine weitere wesentliche Voraussetzung für diesen geplanten Forschungsansatz wurde ebenfalls schon erfolgreich bearbeitet und abgeschlossen: Es handelt sich um zusätzlich notwendige elektronische Entwicklungsarbeiten zur präzisen Messung für den Einsatz unüberwachter Analysen im geplanten Massenscreening. Erst mit dem angeschaften Forschungsmikroskop als Referenz gelang es, eine rückgekoppelte hochpräzise Achsenansteuerung über Microcontroller zu entwickeln, die nun für den Einsatz im Massenscreening der dendrochronologischen Analyse fertig, verifiziert und getestet ist. Das angeschafte Forschungsmikroskop ermöglicht über seine Auflichtfluoreszenz die Darstellung entsprechend markierter Gensonden in cytologischen Fragestellungen. Davon profitiert in besonderem Maße unsere Lehre im Bereich der Molekulargenetik und Bioinformatik. Während der Seminarvorlesungen werden auf elektronischem Weg in Echtzeit Bilder vom Mikroskop in den Vorlesungsraum übermittelt. Durch die Methoden und elektronischen Schnittstellen des Forschungsmikroskops konnten auf diese Weise neue Lehrinhalte (normale und pathologische Histologie des Menschen, Histologie der Agrarpflanzen und deren Pathogene) angeboten und damit Berufsfelder für unsere Studenten eröffnet werden. Dieses Lehrkonzept hat sich als so wirkungsvoll enrviesen, dass unsere Hochschule aktuell hierfür einen eigenen Lehrraum einrichtet, der diese Methode optimal unterstütä und das angeschaffte Forschungsmikroskop ideal neben der auch in der Lehre nutzen lässt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 4D Confocal Microscopy applyinq Digital Micromirror Arrays. Focus on Microscopy 2013, March 24-27, 2013, Maastricht, Netherlands
W. Neu, M. Schellenberg
- SHERPA: an image segmentation and outline feature extraction tool for diatoms and other obiects. BMC Bioinformatics 2014, 15:218
Kloster, Kauer, Beszteri
(Siehe online unter https://doi.org/10.1186/1471-2105-15-218)
